高层结构抗震分析

基于高层连体结构的抗震设计分析

高层建筑连体结构是近十几年来发展起来的一种新型结构形式，所谓连体结构是指两个塔楼或多个塔楼由设置在一定高度处的连接体（又称连廊）相连而组成的建筑物。在地震作用下由于连接体的存在使得由原来独立发生振动的塔楼要相互作用、相互影响，在地震作用下的反应远比单塔结构和无连接体的多塔结构受力复杂，会出现较强的祸联震动、扭转加大等现象，其结构的抗震性能也不如单体结构，因此连接体的设置改变了结构的动力特性。高层连体结构的特点主要有以下几点：对称性、扭转效应、连体两端的连接处理方式重点考虑滑动支座的做法，限复位装置的构造，并应提供滑动支座的预计滑移量。当采用阻尼器作为限复位装置时，也可归为弱连接方式。强化结构的抗震安全目标并提高结构的抗震功能要求，已经成为工程抗震领域亟待解决的课题。

1 工程概况

本工程位于某市繁华商业地段，地理位置十分重要，城市景观的要求很高，建筑的使用功能也要求多元化，房屋的下部三层为商城，其上有21层的塔楼，工程总建筑面积约30000平方米，24层，总高度83米，为多功能的写字间，塔楼的顶上三层为观光连廊，因此形成了大底盘双塔的连体建筑结构。自然条件和设计依据：1）基本风压：035N/km2；2）抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度为0.109，设计地震分组为第一；3）建筑抗震设防类别：丙类；4）钢筋混凝土结构的抗震等级：剪力墙二级，框架二级。与连接体相连的部分的梁柱构件为一级。

2 结构方案的确定

2.1 结构方案的确定。

高层建筑的抗震设计首先应该注重的是概念设计。一般应掌握以下原则：根据结构的层数、房屋的高度、抗震设防要求、施工技术、材料等条件来选择合理的结构形式；对抗震结构要尽可能的设置多道防线，采用具有联肢墙、壁式框架的剪力墙结构、框架—剪力墙结构、框架—核心筒结构、筒中筒结构等多重抗侧力结构体系；结构的承载力、变形能力和侧向刚度要均匀连续变化，以适应地震反应的要求，结构的平面布置要力求简单、规则、对称，要避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部；构件的设计要采取有效的措施防止脆性破坏，保证结构有足够的延性。要减轻结构的自重，降低结构的地震作用。

2.2 本工程从平面形状来看，平面狭长的形状，属于抗震不利平面，从竖向来看，底下三层为大底盘，其上有二栋21层的塔楼，在塔楼的顶上三层设有连接体，因此竖向刚度不均匀，形成竖向刚度二次突变，对抗震非常不利。本工程的难点就在于要在建筑方案己经基本定性的原则下从结构方面来采取措施，尽量满足抗震的要求，尽可能的减轻地震的反应。这些措施包括结构体系的选择，剪力墙的布置，连接体的选型等，下面分别阐述。

2.3 根据本工程结构的层数、高度和使用功能要求，按照《高规》规定的房屋使用高度和高宽比要求，采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构比较适合。框架—剪力墙结构是由框架和剪力墙共同组成的结构体系，它既能为建筑提供较大的使用空间，又有较大的抗水平力刚度，适用于商场、办公、住宅等，是一种抗震性能比较好的高层建筑结构体系。框架—剪力墙的结构布置应设计成双向的抗侧力体系，剪力墙应分散均匀地布置在建筑物的周边、楼电梯间、平面形状变化处及荷载较大的部位。剪力墙贯通建筑物的全高，并沿高度逐步减薄，避免刚度突变。框架—剪力墙结构中，要有足够的剪力墙的数量，应当使剪力墙承担大部分的水平作用产生的剪力，但是剪力墙的数量也不能过多，否则，结构的刚度过大，引起的地震反应加大，对结构的抗震设计也不利，结构设计也不经济。

2.4 连接体的结构方案确定。连接体是连体结构中一个重要的组成部分。从前面的分析表明，对对称结构而言，在对称的水平力作用下，连接体的存在对结构的受力性能影响很小，

但对非对称的连体结构，连接体的存在对结构的受力影响就很大，在实际施工完成的工程中是没有绝对对称结构的，更没有绝对对称的水平力，即使是设计为对称的结构，在施工、材料和使用荷载上也可能不对称，地震作用更是随机的和多向胜的。现行《高规》规定，对一般的结构都要考虑结构的偶然偏心。连接体在整个结构中是两个塔楼的变形协调部分，由于各塔楼的刚度不同，结构的振动性能也不同，变形也不同，连接体的存在使得塔楼中侧向刚度大的塔楼受力变小，而侧向刚度小的塔楼受力变大。

3 结构设计的加强措施

本工程的结构设计基本能满足规范要求的“小震不坏，大震不倒”抗震设防标准。但是由于地震的不确定性和计算的近似性等原因，抗震设计更重要的是概念设计，即所谓“三分计算，七分构造”，因此还应当应用工程经验和通过计算分析中发现的薄弱部位采取加强措施。

3.1 对塔楼的薄弱部位进行加强设计。

与连接体相连的梁(并延伸一跨)和柱提高一级抗震等级，与连接体直接相连的柱用钢骨混凝土柱，钢骨柱从第十八层至顶层设置，控制这些柱的轴压比。连接体的钢梁伸入塔楼的第二跨，与剪力墙相连，没有剪力墙的地方与柱相连，并加强连接体与框架柱和剪力墙的锚固，以免地震时连接体的拉脱，而引起连接体塌落。与连接体相连的第二跨的梁端加强抗剪和抗弯的设计；第4层、第7层、和第19层是薄弱层，柱箍筋全高加密、箍筋直径加粗，剪力墙的水平钢筋也适当加强。并且不在这些层改变混凝土强度等级；适当加强11、15、17、18层柱和墙的配筋，不在这些层改变混凝土强度等级；第三层和连接体层的钢筋混凝土楼板用150mm厚，并且双层双向配筋。每层每一方向的配筋率不小于0.30%。

3.2 采用隔震加固法。

结构刚度和地震作用成正比。当结构周期变大时，刚度随之减小，进而降低了地震作用。目前工程实践中，以增大周期为目的的加固技术方法多为隔震技术，其中最有代表性的就是铅芯橡胶隔震。该方法充分利用了橡胶、铅芯两种材料阻尼值相对较高、水平变形比较大，且能大量吸收并散耗地震动能量的特点，将铅芯橡胶隔震布置在地基基础和上部结构之间，使二者完全脱开。地震中，隔震垫产生较大的水平变形，吸收并消耗大量的能量，增加上部结构的周期，使得上部结构的地面水平加速度大幅降低，实现减小上部结构地震力的目的。

3.3 消能减震加固法。

在工程抗震原理中，结构阻尼与地震作用为反比关系。在工程实践中，增加结构阻尼主要通过在结构变形较大的部位设置阻尼器的消能减震方法来实现。利用阻尼器来控制结构在地震作用下的预期变形，通过降低建筑结构在水平、竖直两个方向的地震作用，确保建筑物在罕遇地震作用下不出现严重的破坏。

3.4 外加构件法。

通过在原建筑结构构件外部增设构件，加强结构抗震承载力、变形能力和整体性的方法称为增设构件法。该方法可以对建筑物中承载力和变形能力不足的构件进行加强，但使用该方法进行构件的加固设计时，需重点关注新增加的构件对加固后结构整体抗震性能的影响。常用的技术方案有增设构造柱/圈梁加固、增设墙体加固、增设柱子加固、增设拉杆加固、增设支托加固、增设支撑加固和增设门窗加固等。

4 结语

高层连体结构是一种复杂的结构体系，本文以实际工程为背景，对复杂高层连体结构这一新型结构体系进行了抗震设计和研究，加强连接体以及与连接体相连的构件的构造设计，一般情况下，连接体与主体的连接要用刚性连接。跨度大时，可采用钢桁架结构，以便减轻结构自重和方便施工。