某帶連體高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙建超 孫兆民 徐 燁

(1．中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北武漢 430071;2．中鐵大橋局股份有限公司，湖北武漢 430071)

1 工程概況

宜昌市夷陵區(qū)人力資源和社會(huì)保障服務(wù)中心綜合樓為宜昌市夷陵區(qū)林業(yè)局、宜昌市夷陵區(qū)人力資源和社會(huì)保障局?jǐn)M建的辦公大樓，位于宜昌市夷陵區(qū)夷興大道和發(fā)展大道西南側(cè)，由兩棟12層主樓與一副樓組成，兩棟主樓上部均有2層混凝土構(gòu)架層，作為建筑幕墻的支承結(jié)構(gòu)。兩棟主樓在10層以下相互獨(dú)立，在11層與14層之間設(shè)置一連體結(jié)構(gòu)，將兩主樓連通，連體部分中，僅11層為可用建筑空間，其余均為構(gòu)架部分，只為滿足建筑造型。兩主樓設(shè)置一層連通的地下室。本工程不屬于超限結(jié)構(gòu)，但是須對(duì)連體部分進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。效果圖見(jiàn)圖1。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．1 荷載取值

本項(xiàng)目為丙類(lèi)建筑，安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防烈度6度，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)分組為第一組，場(chǎng)地特征周期0．35 s。地面粗糙度類(lèi)別B類(lèi)，基本風(fēng)壓按100年一遇的風(fēng)壓取值:0．35 kN/m2。

2．2 基礎(chǔ)及地下部分

基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，樁徑800mm，中柱下一般布置5樁承臺(tái)，承臺(tái)厚度1．3 m，邊柱下一般布置4樁承臺(tái)，承臺(tái)厚度1．4 m，均采用C35混凝土。

兩棟辦公樓地下連為一體，地下室結(jié)構(gòu)層高4．95 m，地下室底板兼做防水板，厚度400mm，地下室下土層多為填土，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮承臺(tái)間土的承載力。

2．3 上部結(jié)構(gòu)

本工程采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，柱截面主要尺寸700×900，700×600，主要柱網(wǎng) 8 m ×9．5 m，8 m ×8 m。框架柱 1 層，2層為加強(qiáng)層，柱墻采用C50混凝土，梁板采用C35混凝土，9層～12層采用C40混凝土，梁板采用C35混凝土。8m左右跨度的框架梁截面一般為400×600，9．5 m跨度的梁截面一般為400×750。

連體結(jié)構(gòu)是復(fù)雜高層建筑中較為典型的類(lèi)型，可分為弱連接和強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)［1］，弱連接一般有鉸接，滑動(dòng)連接，強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)大多通過(guò)連接體將兩棟或多棟樓進(jìn)行剛性連接。如圖2所示，從平面圖上看林業(yè)局辦公樓與人社局辦公樓垂直布置，由于兩辦公樓結(jié)構(gòu)形式相同，質(zhì)量與剛度接近，如果獨(dú)立分開(kāi)，則自振周期類(lèi)似，但是考慮到是林業(yè)局的短方向與人社局長(zhǎng)方向相連，在地震作用下，兩棟辦公樓不能夠做到協(xié)同振動(dòng)，如果采用強(qiáng)連接，則兩棟辦公樓會(huì)因不同的振動(dòng)模態(tài)而產(chǎn)生較大的相互作用。因此，本項(xiàng)目連體采用弱連接。

圖1 效果圖

圖2 平面圖（11層）

3 連體部分計(jì)算與設(shè)計(jì)

3．1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析采用Satwe，Midas/Building兩種程序。周期折減系數(shù)0．8，考慮5%的偶然偏心及雙向地震力，進(jìn)行小震計(jì)算，連體部分及其以下1層按中震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)配筋。樓板假定，計(jì)算周期和位移時(shí)采用剛性樓板假定;計(jì)算桿件內(nèi)力和截面設(shè)計(jì)時(shí)采用真實(shí)反映樓板完全彈性有限殼單元。

3．2 巨型懸臂梁與牛腿設(shè)計(jì)

本工程中連接體的弱連接方式采用平板式橡膠支座，在11層標(biāo)高處，在林業(yè)局與連接體相鄰邊梁上設(shè)計(jì)3個(gè)牛腿，用來(lái)支承連接體一端，連接體另一端與人社局辦公樓剛接，3個(gè)牛腿的間距分別為8 m，4 m，其中4 m為外伸懸挑部分，牛腿高1 m，寬1 m，見(jiàn)圖3。

圖3 牛腿平面布置圖（單位：mm）

牛腿設(shè)置在h=3．1 m高的巨型梁上，梁寬600 mm，根據(jù)計(jì)算需要，確定牛腿高度后，為了保證連接體兩側(cè)的兩棟辦公樓在11層的建筑標(biāo)高相同，連體部分的主梁設(shè)計(jì)成變截面主梁，以降低巨型梁高度，主梁跨度13．95 m，見(jiàn)圖4。

因?yàn)檫B體兩側(cè)的結(jié)構(gòu)由橡膠支座隔離，項(xiàng)目位于低烈度設(shè)防區(qū)，水平方向剪力較小，相互間傳遞的內(nèi)力主要是豎向力，首先進(jìn)行單棟分離計(jì)算，計(jì)算采用Satwe軟件。人社局辦公樓橡膠支座支承點(diǎn)采用短斜撐模擬，即支座處僅有豎向約束，類(lèi)似搖擺柱支承，斜撐底部剛接。人社局計(jì)算得到三個(gè)支承點(diǎn)的豎向反力標(biāo)準(zhǔn)值分別為1 465．1 kN，1 715．2 kN，1 759．5 kN，總反力 4 940 kN。計(jì)算林業(yè)局辦公樓時(shí)，將此三個(gè)反力作為節(jié)點(diǎn)荷載施加到計(jì)算模型上(見(jiàn)圖5)。

圖4 牛腿剖面（1—1）

圖5 單棟獨(dú)立計(jì)算模型

因?yàn)橛?jì)算模型假定設(shè)置牛腿的巨型梁剛度無(wú)限大，而實(shí)際上巨型梁因?yàn)閼冶塾? m，剛度一定有所削弱，3個(gè)支點(diǎn)的剛度一定影響反力以及連接體構(gòu)件的內(nèi)力大小，因此，須建立整體模型，不考慮地震力，對(duì)3個(gè)牛腿的反力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，取計(jì)算包絡(luò)內(nèi)力，進(jìn)行配筋。計(jì)算采用Midas Building軟件，計(jì)算模型見(jiàn)圖6。人社局與林業(yè)局連體間連接采用彈性連接進(jìn)行連接。

圖6 整體計(jì)算模型

經(jīng)過(guò)計(jì)算，牛腿處3個(gè)支點(diǎn)的反力分別為1 345．9 kN，1 848．1 kN，1 247．3 kN，見(jiàn)圖7。由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，懸臂端的支承反力減小，中間支點(diǎn)反力增大，而且，3個(gè)支點(diǎn)的總反力小于按剛性支點(diǎn)的反力，減小500 kN，牛腿設(shè)計(jì)按照包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。連接體關(guān)鍵構(gòu)件，如框架梁同樣取兩種計(jì)算方法的包絡(luò)值。

連體與主樓的防震縫間隙要靠大震作用下的兩樓的彈性水平位移，并取兩者的絕對(duì)值之和，本項(xiàng)目防震縫間距200mm，以保證結(jié)構(gòu)在大震作用下有足夠的變形區(qū)間。

3．3 橡膠支座

橡膠支座采用疊層橡膠支座，使用年限50年，其設(shè)計(jì)部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

3．4 構(gòu)造措施［2］

1)豎向構(gòu)件。在連接體兩側(cè)的剪力墻從上至下均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，并且在連體上下1層加強(qiáng)箍筋配置，適當(dāng)增加縱筋水平筋配置。

圖7 連接體部分計(jì)算位移結(jié)果（單位：mm）

2)水平構(gòu)件。連接體的主梁均深入人社局一跨，調(diào)整此跨截面與配筋與連接體主梁相近，并且將剪力墻布置在此主梁端部，上下鋼筋均拉通布置，以抵抗連接體變形時(shí)產(chǎn)生的拉力。連接體主梁不能與框架主梁相連的就布置次梁與之相連，并加強(qiáng)連接體附近次梁的配筋，見(jiàn)圖8，圖中曲線加粗部分表示加強(qiáng)的主梁。連接體樓蓋與屋蓋采用雙層雙向配筋，以抵抗連接體變形時(shí)可能出現(xiàn)的拉應(yīng)力。

圖8 連接體部分梁布置

4 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)于兩個(gè)單體任一方向上振動(dòng)模態(tài)不同的連體結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用弱連接。2)帶有連體的結(jié)構(gòu)，應(yīng)增加結(jié)構(gòu)的整體剛度和抗扭剛度。3)對(duì)于一個(gè)中小型項(xiàng)目，連體采用混凝土結(jié)構(gòu)，雖然會(huì)帶來(lái)自重較重，但是相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言，混凝土結(jié)構(gòu)易于維護(hù)，造價(jià)較低，尤其適用于總費(fèi)用控制較嚴(yán)的項(xiàng)目。

［1］徐培福，傅學(xué)怡，王翠坤，等．復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005．

［2］候書(shū)利，張 南．某復(fù)雜連體高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(10):32-33．