高层混凝土连体结构设计分析

高层混凝土连体结构设计分析

摘要：连体高层建筑这一结构，在近年才开始出现并广受欢迎，但在我国并未

大量涌现，因为对连体结构来讲，需要很好协调各建筑物承受的作用力，扭转效

应非常明显，受力复杂度较高，设计时难度很大。连体结构的地震扭转效应特别

明显，设计过程中就要借助不同软件的分析计算获得高适合度的设计方案。

关键词：高层混凝土；连体结构设计

引言

因为连体结构需保证各建筑物所承受的作用力相协调，有很明显的扭转效应，受力也较复杂，在结构设计时非常有难度。本文以某综合办公楼为例对高层连体

结构进行研究。经研究发现，连体结构通常会有很明显的地震扭转效应，需要在

设计时就通过多种软件的计算，分析最适合的结构设计方案。

一、工程简介

某栋办公大楼设计时建筑抗震设防为丙类，二级安全结构，建筑物应为不可

分割的平面不规则结构，建筑物两侧竖向连体部分是竖向不规则结构。大楼在建

成后平面形状呈“U”形，地上有16层，地下1层，建筑物长88m，宽约62m，整

个地上部分的建筑面积有32000m2。东西两侧竖向楼体的第11层至15层相连，

整体呈现为凯旋门式的结构，建筑屋面的上部是6m高的钢结构飘架。这是一个

复杂的高层建筑，完工后，结构抗震的等级为一级，超出预想范围。

二、建筑主体结构

确定工程将主体确认为“高层框架—剪力墙”结构。剪力墙的筒体位置定为楼

层的四角。在楼、电梯间布置4个右下至上厚度为350～200mm的钢筋混凝土质

的剪力墙。周圈部分的框架柱利用建筑物的外立面，保持4m的柱距，而中间部

分的框架柱的柱距为8m×8.8m，因为缩小柱距可让整个建筑结构的抗扭增加。建

筑物楼板及楼层梁处使用等级为C30的混凝土，而剪力墙和柱右下至上的混凝土

强度为C50～C30。连体部分共有6层楼，由于结构关系刚度较大，所以选用强连接的方式将连接体与塔楼相连。

三、建筑物连体部分的设计实施方案

高层连体结构在设计过程中最复杂的就是连体处受力结构的分析。建筑物从

竖向来说，连体部分的层数较多且自身跨度较大，由于荷载作用所承受的内力很大。而水平方向上连体部分结构需要协调两侧建筑体的变形，承受较大水平内力。

当建筑物受到水平地震或风的作用时，各塔楼除了会产生一定的同向平动，

还随着相向运动。而结构方面不但会产生平动变形，也会出现扭转变形现象。在

工程中每个塔楼的刚度各不相同，差距较大。当发生各种平动、扭转振型相耦合时，对整体结构产生的扭转效果将非常明显，振动形态也变得更复杂。

经过严密计算，最终定下的设计方案是经过多重比较后的方案。连接体的刚

度也调至刚好能协调好几个塔楼间的刚度，调控好整个建筑结构的扭转效应。严

格按照标准规范，控制连接体自身构件受到水平、竖向的荷载作用后所产生的变形、应力等。

工程中连体部分的受力主体选用钢结构，并配合钢筋混凝土材质的楼板。主

受力结构的钢材用的是Q345-B，而设置于底部的两层钢桁架，包括钢柱、横梁及斜撑使用的都是焊接H型钢。在设置时钢柱应旋转90°，上3层用钢框架，钢柱

的设置同样旋转90°，并将其支撑在之下钢桁架的节点处。钢柱、钢梁、钢桁架

之间需要用固接方式相连。而连体结构上的钢桁架的横梁与斜撑需要固接在两边

的混凝土剪力墙筒体上。将H型钢埋设在钢桁架的横梁及斜撑与剪力墙相连处的

混凝土柱端之内。由10层至16层均用强焊接的形式将钢构件与剖口相连，并在11层、13层、15层钢梁内的区格布置焊接的圆钢管作为钢支撑，以保证连体结

构处楼板的平面内刚度。

四、连体结构的选材

混凝土方案是在连体结构的部分使用3道巨型混凝土桁架。钢结构方案，需

在连体结构的部分布置3道钢制的桁架。这两种方案选材不同，在受力方面均能

符合要求。结合建筑物实际情况，分别分析两方案的优缺点。

若选用的是混凝土方案，结构梁、斜撑、柱等构件会产生较大断面，而建筑

师需要底部两层的结构构件裸露于外，或多或少会对立面的美观性产生影响。本

建筑具有跨度大、连接层数多的特点，使选用混凝土方案后结构自重预计将比选

用钢结构方案多出近3347t，自重增加的同时，连接体两侧柱及剪力墙的基础造

价也一起增加。此建筑的连体部位相对较高，需要巨型桁架结构，要有能承受住

所有连体处荷载的模板，且只有当所有桁架构件都达到强度要求后才能将模板拆除。但混凝土的支模技术有一定难度，支模总费用支出达到200万元，会增加整

体造价。在模板拆除时还要充分计算各方向的桁架受力作用，避免桁架在模板拆

除时瞬时加载产生不利影响。

若选用的是钢结构方案，能适当缩小结构整体重量及桁架截面尺寸。具有能

使建筑物轻盈、有造型感、空透的特点，有效增加建筑物的实际使用面积，还有

施工速度快、造价低的优势。所以在工程中，最终选用钢结构的施工方案。

五、对整体计算的简要说明

地震力的作用需要在结构设计时充分考虑扭转耦连振动影响的振型分解反应

谱法。运用3种不同力学模型的三维空间分析软件，分别进行位移及整体内力的

分析。将7度设防烈度、0.05的阻尼比及Ⅱ类的场地类别等因素均考虑进去。工

程的模型及荷载输入运用的是PWPM结构分析软件系列中的PMCAD。SATWE主

要负责工程结构的重点分析计算。最终结构对比校核的工作由TAT和PMSAP担当，并进行一定补充计算分析。

（1）计算参数。①建筑结构确定为钢筋混凝土结合的高层结构；②连体结

构部分的楼板为弹性楼板；③楼层刚度计算选用层间剪力比层间位移的方法；

④以总刚模型的结构振动分析方法进行地震作用的分析；⑤地震按照不规则结

构计算；⑥将计算振型数确定为15。

（2）荷载工况。荷载工况主要以风荷载、重力荷载及水平地震力为主要考

量因素，按照相关规定选用工况组合。

六、总结

（1）在分析复杂高层建筑之时不能单一使用一个程序，需要多种程序从不

同角度分析，最终人工判断各方法得出的计算结果。本文就是以SATWE为主，结合TAT、PMSAP进行分析校核，最终得出较满意的结果。

（2）复杂的高层建筑通常会有显著的扭转效应，应设法减小其扭转周期。

本工程中运用的是增设连廊水平支撑，同时增加连体结构部分桁架的刚度来解决。

（3）连体结构设计的关键问题之一是连接体本身跟两侧建筑物的支座连接。在本工程中选用的是强连接的方式，取得很好的效果，完美地将受力协调掌控。

（4）在设计竖向、水平都不规则的复杂高层建筑时，设置剪力墙及竖向构