实例分析高层建筑结构设计
关键词:实例分析,高层建筑,结构设计
1 概述
高层建筑连体结构是近几十年发展起来的一种较为新型的结构形式，其结构设计也比一般的单体结构或多塔楼结构显得更为复杂。本文结合某公寓式酒店连体结构设计实例，对连体结构的结构设计进行了研究，介绍了结构形式确定、连接方式选择、抗震受力特性、支座设计方法等，并阐述了解决一些具体问题的过程。
2 工程概况
某商业办公用房项目由1号楼(公寓式酒店、商业) 和 2号楼( 会展中心、公寓式办公) 组成，地下 1 层 ～ 2 层，地上 7 层 ～ 9 层，总建筑面积92634㎡。公寓式酒店地下 1 层、地上 9 层，现浇剪力墙结构体系，剪力墙为主要抗侧力构件，标准层层高 3.25 m，地上建筑面积为23780㎡。公寓式酒店平面布置呈半个回字形，设置两条抗震缝将结构分为北楼、南楼、连接体 3 个单体。在 8 层、屋顶层处设置连体结构，连体结构平面呈直角梯形。结构平面图见图 1。结构剖面图见图 2。
3 结构选型
公寓式酒店的连接体在第 8 层和屋顶层有连接，属于高规第10 章的复杂高层建筑中的连体结构。连体结构与塔楼的连接方式可以分为强连接和弱连接，本工程连体结构如果采用强连接，在地震荷载作用下将受到很大的轴向力和弯矩，难以协同变形。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，存在最大弹性水平位移( 或层间位移) 大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移) 平均值的1.2 倍等超限情况，给抗震设计带来诸多不利。根据建筑要求仅在 8 层处要求有楼板连接，连接体层数仅占总层数的11%，跨度相对较大，因此优先考虑弱连接形式，考虑到自身重量和承载力性能的比值，连体结构确定为钢结构桁架加活动支座的弱连接形式结构体系。结构形式上类似于桥梁，一端采用固定铰接支座，连接体可绕铰接支座转动，另一端采用双向的滑动支座，来满足地震作用下的连接体部分的水平滑动作用。
4 设计分析
本结构设计使用年限为 50 年，抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.10g，抗震设防类别为丙类。设计地震为第一组，场地类别为上海Ⅳ类场地，场地特征周期取0.9 s，各振型阻尼比取 0.05，主体结构采用 SATWE 进行结构整体分析，采用 PM-SAP 进行结构整体分析并进行校核。分析时考虑扭转耦联和双向地震效应，采用振型分解反应谱法和时程法计算结构响应，各振型贡献按照 CQC 组合。
4.1 结构动力特性( 周期比验算) 。按照各个单体分别计算其固有振动特性，验算其周期比，计算结果见表 1。周期比计算结果满足规范要求。
4.2 位移比。验算位移比时，采用单体模型计算(计算模型中的各个单体的各个楼层，采用强制刚性楼板假定)，并按照各单体模型逐层加以验算。反应谱法结构地震响应位移计算结果如表 2 所示。计算结果满足规范要求。
4.3 反应谱法底部结构的剪力、弯矩和有效质量系数计算结果见表 3。
计算结果满足规范要求。
4.4 振型数。振型数大于 15，且使振型参与质量不小于总质量的 90%。
4.5 楼板模型。各单体计算分析内力时，软弱层( 或人为假定的软弱层) 的楼板在计算模型中按照弹性板处理( 采用壳单元) 。其他区域的楼层考虑为刚性楼板。
5 支座设计
本工程连体结构的支座为固定铰接支座与双向滑动支座，设计过程中主要考虑支座的水平滑动量和竖向力的大小，支座型号则根据计算值确定。
5.1 抗震缝宽度。根据抗震设计的要求，滑移量( 也就是相应节点的位移量) 是要求在大震作用情况下取得的，且抗震缝的宽度( 主要是与南侧单体双向滑动支座) 要求考虑大震作用下南北单体相应节点滑移量的相互叠加作用。经分别计算得到南侧单体在大震作用下四个节点的 X 向与 Y 向的滑移量均为 95 mm，而北侧单体相应数值为 X 向为 120 mm，Y 向为 80 mm。由于连体结构北侧为固定铰接支座，不产生实际滑动，位移量仅作为南侧抗震缝的叠加参考因子。计算得出北侧单体位移值为 X 向 145 mm，Y向 95 mm，南侧单体位移值为 X 向 110 mm，Y 向 115 mm; 按 CQC方法对北侧单元节点位移进行组合得到最大节点位移为175 mm，按照最不利情况南北单元位移叠加 175 +115 =290 mm，故南侧抗震缝的宽度取 300 mm。
5.2 支座竖向力。考虑重力荷载控制作用下，通过计算求得支
座最大竖向力设计值为 800 kN。
5.3 支座钢限位。根据建筑平面布置，滑动位移量以 Y 向位移控制为主，在 X 向设限位可制另一方向的滑动。在最外侧两个钢牛腿的外侧上翼缘设置呈 90°角的钢限位，一旦滑动支座限位失效且又产生地震作用的情况下，钢限位能够阻止钢梁产生过大的滑移变形，从而加强了结构的安全性能。根据以上计算和要求完成支座部分的设计，双向滑动支座的节点详图见图 3，固定铰接支座的节点详图见图 4，钢限位的节点详图见图 5。
6 结语
JGJ 3-2002 连接体结构属于高规第 10 章中所提到的复杂高层建筑，属于超限高层，设计时需要格外慎重。设计过程中首先要明确结构体系和传力路径，如果本工程在设计初始采用刚性连接方案:
6.1 不符合实际情况，仅靠 8 层楼板无法协调两栋单体变形;
6.2 如果按照刚性连接设计，考虑到协同变形，两侧单体的结构体系甚至是具体构件设计与现在的非刚性连接存在巨大的不同，将造成结构的不安全。采用现行的非刚性连接方案将原本复杂的连接体结构转化为非超限的普通高层结构 + 钢结构连接体形式，简化了设计程序，缩短了设计论证周期，使得结构体系明确，传力路径简洁，构件节点具有通用性，方便选用及施工。
参考文献:
[1] JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[2] 徐培福，傅学怡，王翠坤，等.复杂高层建筑结构设计[M].北京: 中国建筑工业出版社，2005.