關(guān)于高層建筑物間連廊結(jié)構(gòu)設計實例分析

徐 蓉

(上海中船九院工程咨詢有限公司，上海 200090)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，社會化進程的不斷推進，現(xiàn)代建筑的功能越來越復雜，特別是商業(yè)建筑，出現(xiàn)了各種綜合體的高層建筑物。在這些建筑物之間，為了人流在各個單體間的公共性與可達性，大多設置了連廊作為輔助的豎向空間組織手段，并為安全疏散提供了便利條件。這些高層連體結(jié)構(gòu)作為一種新型的高層建筑類型，擁有優(yōu)美的建筑外觀，塔樓之間的連接體(高空連廊)在立面效果上有著開闊的視野和獨特的視覺感受，是建筑個性和建筑風格的重要體現(xiàn)，其建筑形式得到廣泛的應用。

因此結(jié)構(gòu)設計人員，在遇到這類復雜高層多塔樓連體結(jié)構(gòu)時，應采用合適的計算模型進行結(jié)構(gòu)的整體分析，以滿足結(jié)構(gòu)的抗震性能目標。這是當前一個重要的課題。

2 設計依據(jù)

復雜高層多塔連體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)體系的設置，應符合GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范(2016年修訂版)第3.5.2條各條款的要求。

其中連接體與主體結(jié)構(gòu)的連接做法，在JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設計技術(shù)規(guī)程第5.3.5條中，有著明確的要求。

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 結(jié)構(gòu)特點

復雜高層多塔連體結(jié)構(gòu)，是通過各塔之間的連接體，將相同或不同結(jié)構(gòu)形式的建筑物連接在一起，因此，這樣一個連體結(jié)構(gòu)，其受力分析，相比一般的多塔樓結(jié)構(gòu)，更加復雜。在結(jié)構(gòu)設計時，主要存在以下幾方面的特點:

1)多塔連體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應顯著。

在各類復雜高層多塔連體結(jié)構(gòu)中，即使是一個連體的對稱雙塔樓結(jié)構(gòu)，在連接體處的樓板變形影響下，兩個塔樓除存在同向的平動變形之外，還會產(chǎn)生兩個塔樓的相向變形，這個振動的形態(tài)，是與雙塔樓連體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的振型耦合在一起的。

對多塔連體結(jié)構(gòu)，因各塔樓體型的復雜性及不對稱性，在承受風荷載或地震荷載作用時，結(jié)構(gòu)除產(chǎn)生平動變形外，還會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形。各塔樓振動形態(tài)也將更加復雜，其扭轉(zhuǎn)效應也會更加明顯。

2)風荷載環(huán)境復雜。

復雜高層多塔連體結(jié)構(gòu)，因為各塔樓的結(jié)構(gòu)平面布置，各塔樓間的距離，各塔樓的平面角度等，對風荷載影響較大。設計時應考慮風力相互干擾的群體效應。必要時，宜通過風洞試驗確定。

3)連接體部分的受力復雜。

在復雜高層多塔連體結(jié)構(gòu)設計中，連接體部分受力復雜，是結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵部位。

連接體部分如采用剛性連接，在重力荷載、風荷載、地震荷載的作用下，一方面要協(xié)調(diào)兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變形，另一方面當本身跨度較大，荷載較重時，除豎向荷載作用外，對豎向地震作用也較為敏感。處于拉、壓、彎、剪、扭等多種應力狀態(tài)下，受力復雜。

因此，針對復雜高層多塔連體結(jié)構(gòu)，應進行準確的結(jié)構(gòu)分析及計算，采取合理的連接節(jié)點做法。

3.2 連接方式

復雜高層多塔連體結(jié)構(gòu)中，連接體與兩側(cè)塔樓的支座連接設計，是連體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題。

連接體與兩側(cè)建筑物的連接方式，可分為強連接和弱連接兩種。如連接體跨度較小，也可采用兩側(cè)塔樓懸挑，中間按抗震縫寬度設置的方式。

強連接方式：在結(jié)構(gòu)設計時，當各個樓面均有連接體，其具有足夠的剛度與強度，能將主體結(jié)構(gòu)連成一體，且計算結(jié)果，滿足整個結(jié)構(gòu)的強度及變形協(xié)調(diào)的要求。這種形式的連接體，其受力狀況，不僅要承受自身的恒活載，而且要連接協(xié)調(diào)兩側(cè)的塔樓，在水平及豎向荷載作用下的變形及振動所產(chǎn)生的作用效應。連接處的節(jié)點會承受較大的軸力，彎矩及剪力，結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造處理做法比較復雜。

弱連接方式：如果連接體為單層，或者連接體本身的剛度較弱，就應該采用和兩側(cè)建筑物各自獨立變形的滑動連接或柔性連接的形式。

滑動連接可以是連接體一端與塔樓鉸接，一端滑動連接，也可以兩端均做成滑動支座。采用這種連接方式，連接體與主體結(jié)構(gòu)均單獨受力，且受力方式簡單，明確?；瑒舆B接時節(jié)點設計的原則是結(jié)構(gòu)自身必須具有足夠的強度，以保證在風荷載、多遇地震作用下的正常使用要求；連接體的支座必須有足夠的滑移量，能夠協(xié)調(diào)兩側(cè)塔樓在罕遇地震時產(chǎn)生的位移；在滑動支座設計時，需增加支座的限位功能，保證連接體不會從任意一端的主樓連接處滑落。

柔性連接是在支座處設置橡膠墊或阻尼器，使得主體結(jié)構(gòu)與連接體的層間位移接近。柔性連接允許在連接部位產(chǎn)生軸向的伸縮和折轉(zhuǎn)，且在垂直軸向產(chǎn)生一定的位移量。因此可以根據(jù)受力情況，選用合適的連接剛度，以滿足整體強度和變形的要求。

下面通過工程實例，具體分析多塔樓連體結(jié)構(gòu)，其高空連廊在結(jié)構(gòu)計算方面的特點，以及連廊與主體結(jié)構(gòu)的連接方式。

4 工程實例

本工程地下2層，地上為5個9層～13層的主樓單體及1個裙房，5個主樓在總體平面布置上，表現(xiàn)為圓環(huán)形分布，高度42 m～60 m。各個主樓間，分別在第3層，5層，8層處用連廊連成整體，體現(xiàn)了一體化的動感外形。

主要結(jié)構(gòu)設計參數(shù)：設計使用年限:50 年，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組第二組，場地類別為Ⅳ類(上海地區(qū))，特征周期0.9 s。建筑抗震設防類別為標準設防類(丙類)。

設計采用的基本風壓為0.55 kN/m2。基本雪壓為0.20 kN/m2。

主樓采用裝配整體式框架—現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。裙房三層，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。基礎為樁基筏板。

4.1 連廊的整體計算

本工程兩單體間連廊結(jié)構(gòu)采用一端鉸接一端滑動的弱連接的方式，連廊結(jié)構(gòu)型式為鋼結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件為變截面H型鋼梁，樓板采用鋼筋桁架樓承板。承受的荷載為永久荷載，可變荷載，包括樓面活荷載、風荷載、水平及豎向地震作用，溫度作用等。

按結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，選用合理的結(jié)構(gòu)截面尺寸，整體計算指標符合國家及地方規(guī)范的要求。在跨度較大的連廊區(qū)域，其樓板進行了舒適度分析，每個鋼連廊的自振頻率均大于3 Hz，豎向峰值加速度均小于0.15 m/s2，結(jié)構(gòu)的舒適度滿足規(guī)范要求。

4.2 連廊對主體結(jié)構(gòu)的影響

將連廊傳來的力，添加到相應主體結(jié)構(gòu)的支承構(gòu)件上，且牛腿上的偏心彎矩由牛腿后部的相應結(jié)構(gòu)構(gòu)件(梁、板)來平衡；設計文件中主體結(jié)構(gòu)相應的框架柱、邊梁、懸挑梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件按關(guān)鍵構(gòu)件設置，對于其內(nèi)力，采取兩種軟件進行復核，考慮中震抗剪彈性，抗彎不屈服的計算要求。支撐牛腿在中震豎向地震作用下彈性計算，牛腿局部平面及做法示意圖如圖1，圖2所示。

牛腿的受力分析及計算書：連廊設計考慮在中震作用下受到豎向地震作用組合來計算連廊牛腿的尺寸,根據(jù)《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中荷載和地震作用組合的效應設計值的計算以及《建筑抗震設計規(guī)范》中正常使用的豎向地震作用計算可以得到最不利位置牛腿在考慮中震豎向地震作用下的豎向力如表1所示。

表1 連廊牛腿尺寸計算

計算可得牛腿所受豎向力(含中震下豎向地震)作用為1 010 kN,D+L為957 kN,取二者較大值1 010 kN為豎向標準值力，得出牛腿為H400×300×50×50的鋼牛腿，滿足受力要求。

4.3 連廊連接節(jié)點計算

本工程連廊結(jié)構(gòu)采用一端鉸接一端滑動的連接方式，滑動端在風荷載及正常使用下保持穩(wěn)定，當滑動端在地震作用達到初始熔斷力后，支座可以滑動，達到滑動目的，兩側(cè)支座均設置鋼絞線等多道防脫落措施。

典型的支座詳圖及受力參數(shù)如圖3所示。

位移量估算方法：按大震彈塑性分析計算的位移。Δ1=2βΔ1E。

其中，Δ1E為小震下對應節(jié)點位移；β為大震與小震地震影響系數(shù)最大值的比例。

擱置處牛腿支座的寬度：保證連廊正負向的自由滑動及最小支承寬度。

鉸支座不考慮滑移量。但為了便于安裝，與主體間構(gòu)造留縫。

本工程連廊一端采用的帶限位功能的鋼支座，此支座具有初始摩擦力，支座上、下兩部分為卡扣形式，且有限位功能，支座能承受水平力、豎向力、上拔力及扭矩。

在風荷載、小震及正常使用情況下，支座在初始摩擦力作用下保持靜止；在中震及大震作用下，當?shù)卣鹱饔贸^支座的初始摩擦力后，支座開始(雙向)滑動，支座的最大滑移量滿足連廊所在標高處兩端主體結(jié)構(gòu)大震下的彈塑性位移的要求，避免連廊在大震下與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。當滑移達到彈塑性位移計算值時，支座的限位功能開始發(fā)揮作用，限制連接體的進一步滑動。

對于連廊，當鋼梁兩端受扭或有拔力時，限位鋼支座卡口可抗扭和抗拔。

在現(xiàn)有設計基礎上，構(gòu)造增加鋼絞線防脫落措施，確保極限狀態(tài)下，連廊不至于脫落，如圖4所示。

5 結(jié)語

本文針對某復雜高層連體結(jié)構(gòu)中，連廊的結(jié)構(gòu)特點和連接方式，進行了詳細的研究及具體的分析，并且得到如下結(jié)論：

1)體型復雜的連廊結(jié)構(gòu)，應優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)這一結(jié)構(gòu)型式。

2)根據(jù)連廊結(jié)構(gòu)跨度及受力分析，合理布置相應主體結(jié)構(gòu)的支承構(gòu)件。相應的框架柱、邊梁、懸挑梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件按關(guān)鍵構(gòu)件設置，考慮中震抗剪彈性，抗彎不屈服的計算要求。

3)連廊與兩側(cè)建筑物的連接做法，是連體結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵，本工程采用弱連接方式，全面考慮了連廊的受力與連接構(gòu)造，達到兩側(cè)建筑物各自獨立變形的設計要求,為類似工程的設計提供參考。