某高层连体结构设计要点及铅芯橡胶支座应用

某高层连体结构设计要点及铅芯橡胶支

座应用

2.上海建工集团股份有限公司200080

一、项目概况

本项目基地位于上海市闵行区华漕社区，项目总用地面积23864.50平方米，总建筑面积107561.65平方米。由地上1栋10层研发楼A楼、1栋12层研发楼

B楼、1栋11层研发楼C楼共3栋塔楼，以及两层地下室组成。地上研发楼A、B、C楼功能为研发及辅助配套，其中研发楼A、B楼之间在地上3层~4层设架空的

多功能厅，单体概况如下表。

本工程抗震设防分类为标准设防类。拟建场地位于抗震设防烈度 7 度区，

设计基本地震加速度为 0.10g，所属的设计地震分组为第二组。拟建场地类别为

Ⅳ类。50年一遇基本风压0.55kN/m2，50年一遇基本雪压0.20kN/m2，地面粗糙

度B类。

二、结构体系与结构布置

研发楼A楼、B楼及C楼拟采用钢框架结构。地下室采用现浇框架结构，塔

楼采用钢筋桁架混凝土现浇板，地库采用现浇钢筋混凝土板，各塔楼结构上部结

构计算嵌固部位均为地下室顶板。研发楼A楼与B楼间在三四层设架空多功能厅，多功能厅在三、四层分别布置钢桁架以形成室内无柱大空间，满足建筑使用要求。多功能厅主桁架支承在A、B楼框架柱侧面牛腿上。跨度为31m 的主桁架作为主

要竖向受力构件，垂直方向设置次桁架，楼面钢梁采用H型截面。

三、连体形式选择

根据连接体与主体结构的连接方式，连体结构可分为强连接连体结构与弱连

接连体结构两类。采用强连接方式时，连体与两端主楼部分两端刚接或两端铰接

连接，连体与主楼结构整体协调共同受力，此时连体主要承受重力荷载，同时要

协调连体两端的变形及振动，连体与主楼相连处受力大，构造复杂。采用弱连接

方式时，连体与两端主楼相对独立，连体与结构一端铰接另一端做成滑动支座，

或两端做成滑动支座，此时两端主楼独立工作，连体受力较小。

考虑到两侧塔楼的体型、平面布置及刚度虽然相近，塔楼钢框架结构体系抗

侧刚度较弱，桁架双向刚度较大，如连接体采用刚性连接，连接体与两侧结构间

将产生较大影响，结构抗震设计复杂，故连接体与两侧单体选用柔性连接，即多

功能厅采用抗震支座与两侧塔楼柱牛腿弹性滑动连接，二者之间的弱连接构造采

用铅芯橡胶支座实现。铅芯橡胶隔震支座在罕遇地震下的塑性性能可减小连体结

构在大震下传给主体结构的内力，弱化主体结构之间的共同作用，使两栋塔楼基

本接近各自受力的状态，尽量减少连接体两侧单体结构在地震作用下的相互影响。

施工图阶段通过计算比选，两侧塔楼为东西向长南北向短的矩形平面，当连

接体以一侧铰接一侧滑动支座与塔楼相连时，铰接端塔楼支座所在Y向地震作用

响应明显，支座相关框架构件设计困难。因此，连接体两侧均选用弹性支座与塔楼相连，以使两侧支座共同承担连接体造成的地震影响，并通过弹性支座尽量减小该影响。

四、连体结构在多遇地震下的整体分

析

为了确定弱连接连体在地震作用下与两侧塔楼结构间的相互影响，建立连体

结构的整体模型对连体结构进行多遇地震作用下的弹性分析。在MIDAS软件单独

分析多功能厅桁架的基础上，利用YJK软件将桁架空间层与两侧塔楼拼装为整体

模型，定义两点约束模拟铅芯橡胶隔震支座，控制支座在荷载准永久组合下的压

应力，确定铅芯橡胶支座规格及相应刚度参数。

同时，为了对比弱连接连体结构对主体结构的影响，采用单体模型同样进行

了上述多遇地震分析，模型中仅包含研发楼 A、 B楼，多功能厅作为集中荷载作

用在牛腿上。比较了两个模型的动力特性、基底剪力、顶点位移等指标。在多功

能厅桁架支座弹性的条件下，合模模型相对单塔模型塔楼基本周期增大，基底剪力、基底弯矩减小，地震作用下楼层位移角减小，楼层位移比、层间位移比减小，同时两塔楼第一、二周期仍以平动为主，X、Y向平动比例有变化。可判断相对仅

按多功能厅荷载输入的单个塔楼，桁架与主体结构的以弹性支座弱连接时可减小

地震作用下多功能厅传给A、B楼的水平力，分析认为由于多功能厅铅芯橡胶支

座的设置，相当于在塔楼 A、B 之间设置了一个阻尼隔震装置,起到了减小地震

力的作用。因而塔楼设计按分塔单独计算、合模计算结果包络设计可行。

结构基本周期

结构基底剪力

楼层侧向位移

五、罕遇地震弹塑性分析

为了进一步分析连体结构整体和单塔模型在罕遇地震下的抗震性能，采用YJK-Paco对连体结构和单塔模型进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。其中

地震波选用遵循以下原则：选择3组地震波取包络结果；地震波的“有效持续

时间”不宜小于周期的5倍，并且应大于15s；多组地震时程曲线的平均地震影

响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，即在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。

由计算结果可知，大震作用下楼层弹塑性位移满足规范限值。中震与大震下X、Y分别为主方向时，弹塑性位移普遍大于弹性位移，说明结构都可能已进入了

不同程度的非线性，最大位移均位于顶层。大震弹塑性基底剪力明显小于弹性基

底剪力，与经验值相符合。中震弹塑性基底剪力与弹性基底剪力比较接近，说明

中震下结构进入非线性程度较低。中震与大震下X、Y分别为主方向时，弹塑性

位移角普遍大于弹性位移角，说明都已进入了非线性，但程度有些不同。

B楼地震波 X主方向第15层X方向位移时程曲线B楼地震波 Y主方向第15层Y方向位移时程曲

线

六、桁架支座设计

如上文所述，会议中心与两侧研发楼A、B楼采用铅芯橡胶支座实现弹性连接。铅芯橡胶支座是在天然橡胶支座的中心或中心周围部位竖直压入一个或几个

纯度为99.99%以上的铅芯制成的。铅芯橡胶支座具有如下特性：1.稳定的竖向承

载特性，能够保证发生设计水平变形条件时的竖向承载能力。2.可变的水平刚度

特性。铅芯屈服前支座水平刚度较大，可满足微小震及风荷载作用下的使用要求；在中震或大震作用下铅芯屈服，屈服后以刚度较小耗散地震能量，可减小主体结

构的动力响应。3. 弹性复位能力。铅芯橡胶支座内部天然橡胶具有较好的弹性,

在发生设计水平变形时具有弹性复位能力。4. 阻尼耗能能力。铅芯橡胶支座通

过将高纯度铅芯挤入天然橡胶支座的中孔,增加了橡胶隔震支座的滞回耗能能