30-高层大跨度偏心连体结构研究-李安

高层大跨度偏心连体结构研究

李安，曹伟良，张良平

（深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司，深圳 518052）

摘 要：深圳某连体项目，两栋塔楼高度约87米，连接体在75米高处将两栋塔楼连接，连接形式为强连接，

连接体以上还有4层住宅。连接体采用钢桁架结构，高度7米，跨度56米，且在平面上偏置，属于

大跨度的偏心连体结构。从结构特性、荷载考虑、施工顺序优化、罕遇地震弹塑性时程分析等方面进

行了深入分析，提出了具体的抗震加强措施。其分析及设计思路可为类似的连体项目提供参考。

关键词：连体结构，强连接，大跨度，偏心，高层建筑

1引言及项目概况

两个或两个以上高层建筑通过连接体连接起来的结构形式，称为高层连体建筑，是一种体型复杂的高层建筑。连体结构因其独特的几何形态，受到不少建筑师的青睐，成为建筑师们喜爱的创作手段，在建筑设计中的使用也逐渐增多。

然而现行的建筑结构规范对连体结构缺乏明确、具体的规定。对于大跨度的偏心连体结构，在国内外更是缺少理论研究和可供参考的工程案例。本文结合实际项目，深入研究了大跨度偏心连体结构的受力特点，提出具体的抗震加强措施，完成结构设计，为连体结构项目的分析设计积累工程经验。

本项目位于深圳，抗震设防烈度为7度（0.10g ），场地类别Ⅱ类，基本风压值0.75KN/m 2，地面粗糙度类别C 类。项目主要功能为住宅，有一层地下室，地上共28层，其中1层裙房，27层住宅。其中地上部分由南、北两栋塔楼组成，两栋塔楼均为剪力墙结构，高度87.4米，属于A 级高度。

两栋塔楼在23~25层经两榀桁架组成的连接体连接，连接形式为强连接[1]。连接体为纯钢结构，桁架跨度56.000米，属于特大跨度的高层建筑。桁架高度7.000米，桁架层以上有四层复式住宅。

由于建筑方案的限制，在平面上连接体为偏心设置，如图 3所示。

图1结构的组成 图2结构计算模型 图3桁架下弦层(23)及上弦层(25)平面

作者简介：李安(1987-)，男，硕士，结构工程师

2单塔模型自身特性对双塔模型的影响

2.1 几何特征及模态特征

《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）》第10.5.1条规定，“连体结构各独立部分宜有相同或

相近的体型、平面布置和刚度”[2]。本项目中，两个分塔的高度均为87.40米，平面尺寸相近，北塔约

为42 x 20米，南塔约为43米 x 15米；两个分塔的总质量相差20%以内，如表1所示。

表1分塔体型对比

项目北塔南塔相差

高度 (m) 87.4 87.4 0%

平面长 (m) 41.8 42.8 2% 宽 (m) 19.9 14.95 24%

质量活载质量 (t) 2558 2008 27% 恒载质量 (t) 40669 34531 18% 总质量 (t) 43227 36539 18%

双塔结构的振型中会存在两个分塔相对振动的振型，在地震作用下，会造成连接体部分内力复杂。为了减少地震作用下此种振型对结构振动反应的贡献，应尽可能使分塔的对称，保证主振型中不出现分塔相对振动的振型。图4为本项目两个分塔的前3阶模态，两者的周期相近，模态一致。

a)北塔, T1=2.48s b)北塔, T2=2.06 s c)北塔, T3=1.88 s

d)南塔, T1=2.06 s e)南塔, T2=1.90 s f)南塔, T3=1.46 s

图4北塔与南塔前3个模态对比(单塔模型)

2.2位移与扭转位移比

两个分塔在连接体桁架下弦楼层23F及上弦楼层25F的楼层位移对比如表2所示。从表中可以看出，两栋塔楼单独工作时，沿Y方向，23F~25F楼层位移差较小，为1~3mm；而沿X方向，出现了相对较大的变形差，为5~12 mm。在实际的连体结构中，这些变形差将由连接体来协调。

a)X向风荷载 b)Y向风荷载 c)X向地震作用 d)Y向地震作用

图5单塔模型与多塔模型楼层位移对比

图5为单塔模型与多塔模型在风荷载及地震作用下的楼层位移对比曲线。从图中可以看出，在风荷载作用下，两栋塔楼由于钢桁架的连接作用而变形协调，沿钢桁架跨度方向（Y向）的楼层位移一致，刚度增加，因此多塔d:\00-Projects\20150309科研课题\期刊投稿\第24届全国高层建筑结构学术交流会\修改格式d:\00-Projects\20150309科研课题\期刊投稿\第24届全国高层建筑结构学术交流会\修改格式模型的楼层位移小于单塔模型的位移，见图 5- b)。沿X方向，由于钢桁架以及其上4层复式增加了风荷载的受风面积，风荷载增大，而连接体对结构X方向整体刚度贡献较小，因此多塔模型的楼层位移大于单塔模型的位移，见图 5-a)。

在地震作用下，沿钢桁架跨度方向（Y向），多塔模型中，两栋塔楼由于钢桁架的连接作用而变形协调，楼层位移一致，刚度增加，因此位移比单塔模型小，见图 5- d)。沿X方向，多塔模型中两栋塔楼的刚度与单塔模型相比变化不大，但连接体的质量增加了地震力，因此其楼层变形相比单塔模型较大，见图 5- c)。

多塔模型与单塔模型层间位移比的对比见图6所示。从图中可以看出，由于钢桁架的连接作用，多塔模型中，塔楼一般楼层的扭转刚度得到增强，最大层间位移比与平均层间位移比的比值相对单塔模型得到明显改善，见图6。

然而，在钢桁架连接体所在的楼层（22F~24F），沿钢桁架跨度方向（Y方向）的偶然偏心地震作用下，由于整体结构平面狭长的几何特点，以及结构偏心的连接，钢桁架的连接作用使两栋塔楼变形协调的趋势，产生了比单塔模型明显较大的扭转位移比，见图 6-c)~d)。

表2在连接体相应楼层分塔的楼层位移对比

工况

楼层位移(mm)

相差

北塔(23F) 南塔(23F)

EX 33.25 20.50 12.75

(38%) EY 21.22 19.33 1.89(9%) WINDX 18.60 13.66 4.94

(27%) WINDY 23.11 25.59 2.48

(11%) 工况北塔(25F) 南塔(25F) 相差

EX 34.47 21.98 12.49

(36%) EY 23.02 21.15 1.87(8%) WINDX 19.85 14.60 5.25

(26%) WINDY 25.15 28.05 2.9

(12%)

EX+5%偶然偏心 EX-5%偶然偏心 EY+5%偶然偏心 EY-5%偶然偏心

图6多塔模型与单塔模型层间位移比对比

3连接体设计及分析

对于连体结构，国内外广泛采用的连体方式主要有两种，即强连接[1]和弱连接[3]。弱连接多适用于低位、小跨的连接，在支座处设置限位隔震垫，舒适度相对较差，使用功能受限。且已有的震害表明，大震作用下滑动弱连接塌落情况严重，可能存在安全隐患。本项目主要功能为住宅，连接体跨度56米，属于大跨连体结构，连接体本身具有连廊功能，但连接体之上还有4层复式住宅，对舒适度要求较高。综合考虑，本项目采用强连接方案。

结合建筑方案，连接体桁架的立面设计见图7所示。桁架杆件尺寸见表3所示。

3.1 不利风况的考虑

连接体是连体结构的关键部位，在外部荷载下，其受力和变形非常复杂。在设计分析中，必须充分考虑其所有不利工况。而本项目属于大跨度连体结构，目前现有规范无此种风载结构体型，荷载规范规定的风振系数不符合此类结构，国内对此类连体结构风振影响缺少理论及实验分析。由于缺乏风洞实验数据，为考虑分析两塔在风荷载下的相互影响，按最不利的可能风载及风载组合，进行分析设计。

表3连接体桁架杆件尺寸

杆件

截面

端部中部

截面材料截面材料

上、下弦杆BOX 700x1000x50 Q390 BOX 700x1000x40 Q345 斜腹杆BOX 700x500x50 Q390 H 500x500x30x40 Q345 竖向腹杆H 500X500X40X40 Q345 H 500X500X40X40 Q345

图7桁架立面

提取单塔模型下，两栋塔楼的风荷载数据，作为多塔模型的风荷载输入依据。考虑可能出现的最不利工况，如图8所示。考虑到不同的风工况对塔楼本身影响较小，整体分析时，考虑风工况WX与WY，即图 8 –a)~ b)所示。对连接体及影响范围内塔楼的部分构件，其他工况可能产生较大影响，分析时增加考虑WX1、WX2、WX3、WY1、WY2等工况。

a)WX b)WY c)WX1 d)WX2

a)WX1 b)WY1 c)WY2

图8考虑的不利风工况

3.2连接体承载力验算

分别对构件的正应力及剪应力进行分析，采用P-M Ratio及Shear Ratio以比值的形式对承载力进行表述，即需求/构件承载能力。如P-M Ratio (Shear Ratio)＞1，则构件承载力不足。

对风、小震所有组合下桁架进行包络设计（作为转换构件，桁架水平地震作用下内力按转换梁要求放大1.6倍），得出的P-M Ratio及Shear Ratio（以一榀完整桁架为例）如图9所示。

对中震弹性所有组合下桁架进行包络设计，如图 10所示，连接体构件剪应力较小，构件承载力为正截面承载力控制。中震作用下杆件应力与风、小震组合下相近，中震组合下构件依然保持弹性状态。桁架两端下弦杆压应力水平大，无承载力富余度。

由以上分析结果可知，连接体受力有如下特点：1) 连接体构件剪应力较小，构件承载力由正截面承载力控制；2)在基本组合工况作用下，桁架下弦杆两端受压，中部受拉；3）桁架下弦杆两端有很大的轴力和弯矩，P-M Ratio最大值接近1.0，基本达到构件承载力限值；4）跨中下弦杆拉应力P-M Ratio最大值不超过0.40。

图9连接体桁架风、小震组合下正应力强度验算 P-M Ratio （立面）

图10连接体桁架中震组合下正应力强度验算P-M Ratio （立面）

图11重力荷载下连接体桁架正应力强度验算P-M Ratio （立面）

3.3施工顺序的优化

进行考察，如图11所示。重力荷载作用下，桁架两端下弦杆压应力P-M Ratio 最大为0.605。从桁架整体来看，重力在荷载组合中占有很大的权重，达到60%~70%。为了降低端部下弦杆的受力，需要通过优化施工顺序来改变重力荷载作用下端部下弦杆所受的压力和弯矩。

在正常工作下，桁架下弦杆端部弦杆的应力过大，中部弦杆应力较小，而应力的主要贡献来源于重力荷载。因此，为增加端部弦杆的安全储备，同时更充分利用中部弦杆的承载力，对连接体桁架的施工顺序进行优化。如图12所示，优化后施工顺序具体如下:

1) 塔楼施工完毕；

2) 连接体施工，仅上弦杆铰接，下弦杆保持脱开；

3) 连接体上部复式层结构施工，主体施工完毕，桁架竖向变形充分；

4) 将上弦杆刚接，下弦杆刚接；

5) 建筑幕墙及装饰工程。

接体的施工顺序优化后，连接体及其以上所有层结构施工完毕时，钢桁架仅上弦杆与塔楼支座铰接，桁架端部释放转角变形，不承受弯矩；弯矩转移至跨中杆件。待桁架竖向变形充分，即端部转角变形充分以后，再将上下弦杆进行刚性连接，规避了在重力作用下端部弦杆应力过大的不利工况。

a) 施工顺序一 (塔楼施工完成) b) 施工顺序二 (连接体仅上弦杆铰接) c) 施工顺序三 (复式层结构施工完成) d) 施工顺序四 (连接体上下弦杆刚接)

图12连接体优化的施工顺序示意

图 13考虑施工顺序前后连接体桁架正应力P-M Ratio 对比

注：黑色字体表示不考虑施工顺序，红色字体表示考虑施工顺序

考虑施工模拟后有效释放恒载作用下端部下弦杆的弯矩和轴力，弯矩转移至跨中，以减小端部下弦杆应力水平并有效利用了跨中杆件的承载力。

主体施工完毕后，将上、下弦杆刚接。计算模型需要考虑上下弦杆刚接后，上下端弦杆释放掉桁架及上部结构自重带来的轴力及弯矩，但仍需计算附加恒载带来的弯矩及轴力效应。最终，考虑施工顺序后连接体恒载下构件应力比如图 13所示。

调整施工顺序后，桁架端部下弦杆弯矩及轴压力得以释放，应力减小，原本P-M Ratio最大为0.948，调整后为最大0.624。除端部下弦杆外，其他弦杆应力均变大，端部上弦杆最大应力由0.497变为0.600，中部上弦杆最大应力由0.424变为0.481，中部下弦杆最大应力由0.390变为0.466。

通过施工顺序的优化，有效利用了截面承载能力，同时留有一定的富余度，控制组合为恒、活、风、地震和温度的相互组合。

4罕遇地震下的弹塑性时程分析

对本项目的连体结构采用ABAQUS进行了罕遇地震下的弹塑性时程分析，地震波按1:0.85:0.65三方向[4]输入。分析结果如下

1)如图14~图15所示，考虑重力二阶效应及大变形的条件下，结构的最大层间位移角为1/188（人

工波X主方向作用下北塔），满足广东省高规1/125的限值要求；

2)X方向人工波下结构的反应明显大于两条天然波，而Y方向的3条地震波的反应相近，体现了

Y方向连接体的作用，符合结构概念；

3)剪力墙整体上看，受压损伤较小，除局部范围外，大部分墙体未出现受压损伤，如图17所示；

4)在罕遇地震作用下，连接体大部分构件处于弹性状态，保证了水平荷载的传递，满足大震不屈

服的性能目标，如图16所示。

总体上看，罕遇地震作用下，结构整体及各构件的抗震性能满足规范要求的性能目标，结构能够满足“大震不倒”的要求。

通过以上分析，提出以下抗震加强措施：

1)连接体高度范围及其上下层，设置约束边缘构件，结构构件抗震等级提高至一级；

2)连接体桁架按转换构件设计，按照《高规》10.2.4规定，转换桁架按一级转换结构构件的水平

地震作用计算内力乘以1.6倍增大系数；

3)由于连接体的影响，相关楼层侧向刚度发生变化，在22~25层按薄弱层考虑，水平地震力放大

1.25倍；

4)连接体杆件等重要构件在中震下保持弹性状态；

5)连接体影响范围楼层的竖向构件的混凝土材料强度提高至C50；

6)对与连接体相连的框架柱、框架梁，及出现拉应力的框架柱设置型钢；

7)连接体桁架设置水平支撑，连接体所在楼层楼板加厚，保证水平地震力的有效传递；

连接体与塔楼连接节点处，边梁设置型钢，楼板加厚，保证连接体水平力的有效传递。

a) X 主方向层间位移角 b) Y 主方向层间位移角 c) X 主方向层间位移角 d) Y 主方向层间位移角

图14北塔各组地震波主方向层间位移角曲线 图15南塔各组地震波主方向层间位移角曲线

a) 北塔剪力墙 b) 南塔剪力墙 图16连接体钢桁架的塑性应变 图17塔楼剪力墙整体混凝土受压损伤

5总结

本文结合实际工程项目，对大跨度偏心连体结构的受力特点及抗震性能进行了分析研究，主要包括：单塔模型自身特性对双塔模型的影响；在缺乏风洞试验数据情况下，考虑连体结构的不利风况；连接体各杆件的受力特点；通过施工顺序的优化，有效提高桁架杆件的利用率；对连接体关键节点进行了详细设计和有限元分析；对整体结构进行了罕遇地震下的弹塑性时程分析，提出了具体的抗震加强措施。

参考文献

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[3] 王灵, 吕西林. 双塔楼弱连接连体高层建筑结构抗震性能研究[J]. 四川建筑科学研究, 1999(3):48-51

[4] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社

, 2010