论文部分内容阅读
摘 要：本文结合工程实例，针对对称连体高层建筑的结构设计进行阐述，通过结构布置、结构概念设计以及计算分析等，提出了在设计过程中应采取的构造措施。
关键词：高层建筑；结构设计；对称连体；构造措施
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
工程概况
某工程位于河南省郑州市郑东新区，该建筑地下2层，地上15层，建筑高度59.00m。地下两层为地下车库（人防区域）和设备用房，地上一、二层为商业裙房，主楼为15层写字楼。本工程主楼为框架——核心筒结构，裙房为框架结构，建筑结构安全等级二级，地基基础设计等级乙级，主体结构设计使用年限为50年。地下室防水等级二级，地下水埋深-2.95米，地下室混凝土抗渗等级P8，屋面防水等级Ⅱ级。
本工程建筑抗震设防类别丙类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.15g，设计地震分组第二组，场地类别Ⅲ类，特征周期Tg=0.55sec，建筑结构的阻尼比0.05。
本工程主楼基础采用CFG桩复合地基，裙房基础采用长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩作为抗拔桩，主楼及裙房整体采用平板式筏板基础。
结构设计
2.1 结构布置
本建筑两个主楼均为框架核心筒结构，布置及刚度基本对称，平面基本柱网8.4x8.4m，核心筒剪力墙厚度外筒300，中间200，钢筋砼柱及型钢砼柱截面900x900，主楼顶部三层采用连体结构相连成为整体，实现大空间办公的要求，连体部分跨度25.2米、宽度25.2米。连体部分采用三榀三层高的钢桁架与两栋主楼刚性连接，与钢桁架相连的六个框架柱采用型钢砼柱直接生根于基础，在保证钢桁架刚性连接的同时，有效地降低了框架柱的轴压比，减小了柱截面，为地下车库的布置提供了有利条件。
钢桁架的弦杆采用焊接H型钢，并向主楼延伸一跨至核心筒，延伸跨框架梁采用型钢砼梁，在充分保证结构整体刚度的同时，提高了结构的延性，有效保证了剪力的传递。桁架腹杆采用焊接方钢管，弦杆、竖腹杆、斜腹杆中心线在节点区交汇于一点，腹杆与弦杆、弦杆与型钢砼柱内钢骨均采用刚性连接。
2.2 结构概念设计
①适当增强两个塔楼的抗侧刚度，以减小楼层的侧移和层间位移角。
②优化两个塔楼核心筒的剪力墙布置及墙体厚度，增强结构的抗扭刚度，减少结构的扭转效应。
③连体部分共四层楼板，在每个楼层处设置水平弦杆，布置三片整层钢桁架与楼层处的弦杆构成一个整体，和楼板以及构造水平支撑协同作用，使其具有足够的竖向抗弯（抗剪）刚度、水平抗弯（抗剪）刚度，并满足承载力设计的要求。
④与钢桁架直接相连的六个框架柱采用型钢砼柱生根于筏板，与型钢砼柱直接相连的框架梁采用型钢砼梁，以保证连接的可靠性，并使连体与塔楼实现连续平稳过渡。
2.3 连体结构设计
2.3.1连体部分在竖向荷载作用下的传递路径：楼面——次梁——主梁——钢桁架——主楼的型钢砼柱——基础，在豎向荷载作用下，连体受弯，对主楼的不同楼层产生相应的拉压应力。为保证连体部分竖向荷载的有效传递，采取以下措施：
①钢桁架采用三层高的整层桁架，桁架弦杆与腹杆刚性连接，增强桁架的竖向抗剪刚度。
②与连体直接相连的框架柱采用型钢砼柱生根于基础，与连体间接相连的框架柱采用型钢砼柱，并将型钢向下延伸一层，充分保证连接的可靠性以及框架柱的延性。
③与型钢砼柱直接相连的框架梁采用型钢砼梁，型钢砼梁与型钢砼柱连接节点区柱内型钢贯通，梁内型钢与柱内型钢可靠连接，有效增强连体端部构件及节点的延性，节点构造满足相关规范的技术要求。
④连体部分楼面次梁采用焊接H型钢，与钢桁架的弦杆采用铰接，有效传递楼面竖向荷载。
2.3.2 连体在水平荷载作用下的传递路径：立面幕墙——楼板——主楼。在水平地震力作用下，连体协调两塔楼变形而使得整体结构的刚度增大、周期减小，自身则产生较大的竖向及水平变形，为保证水平荷载的有效传递并增强两塔楼的协调工作性能，采取以下措施：
①连体所在楼层顶部、底部的楼板厚度取180mm，并向主楼延伸至核心筒所在跨；连体所在中间两层的楼板厚度取150mm，并向主楼延伸一跨，以增大楼面的整体刚度。
②连体所在楼层以及下一层的楼板配筋整层采用双层双向配筋，并适当加大配筋率（尤其加大连体所在顶部、底部楼板的配筋）。
③钢桁架两侧第二跨对应位置设置两道构造性的水平支撑，与楼板一同传递水平力，并适当增强连体的水平抗剪刚度。
2.4 结构弹性计算分析
两个塔楼与连体由于采用刚性连接，在计算时进行整体建模计算。主楼的结构弹性分析采用SATWE和MIDAS分别进行计算，以利于校核计算结果。SATWE及MIDAS分别采用刚性楼板假定（连体部分楼板为弹性板）来计算结构的动力特性、楼层位移、层间位移角、周期比等；杆件内力分析及构件设计等采用SATWE的弹性板模型进行分析。采用SATWE和MIDAS进行反应谱分析时，均考虑偶然偏心和双向地震作用，对二者分析计算的结果进行比较发现，两个程序的计算结果基本一致（例如，结构的扭转周期比：SATWE，Tt/T1=0.774；MIDAS，Tt/T1=0.778），结构弹性分析结果基本可行。
根据MIDAS模型的计算结果，分析连体楼层在中震作用下楼板的应力分布及极值，例如连体部分第1振型的自振频率4.15Hz。塔楼与连体连接处楼板的拉应力较其他部位大，尤其是转角处，这些部位的楼板在设计中加强其构造措施。在水平地震作用下，连体由于协调两塔楼的变形而使得自身产生较大的竖向及水平的弯剪变形，尤其是钢桁架的端部斜腹杆，设计中适当加大这一杆件的壁厚，保证连体主要受力构件的中震弹性。
设计中采取的构造措施
①连接体及与连接体相连的结构构件在连接体高度范围及其上下层，抗震等级提高一级。
②与连接体相连的框架柱在连接体高度范围及其上下层，柱箍筋全长加密，轴压比限值按其他楼层框架柱的数值减小0.05采用。
③与连接体相连的剪力墙在连接体高度范围及其上下层设置约束边缘构件。
④连接体及与之对应的主楼楼板、连接体上下层楼板配筋采用双层双向配筋，连接体底层楼板和顶层楼板厚度加厚之180mm，并向主楼延伸两跨；连接体中间两层楼板厚度加厚至150mm，并向主楼延伸一跨。
⑤与钢桁架直接相连的框架柱采用型钢砼柱，与型钢砼柱直接相连的框架梁采用型钢砼梁，与型钢砼梁对应另一端的框架柱采用构造型钢砼柱，构造型钢砼柱内型钢向连接体以下延伸一层。
⑥钢桁架腹杆采用方钢管，腹杆与弦杆采用刚性连接，各构件中心线重合。
⑦由于建筑高度小于60m，充分考虑经济性因素，设计时，除核心筒四角的剪力墙边缘构件按框架核心筒结构考虑外，其余剪力墙均按框架剪力墙结构执行。
⑧钢桁架两侧第二个柱间对应位置加设构造性水平交叉支撑，水平支撑顶部距离楼板底部150mm，使水平支撑不承受竖向荷载，仅传递水平力。
⑨与钢桁架直接相连的六个框架柱以及同列的另外两个框架柱采用型钢砼柱落地，抗震等级提高一级。
4. 结语
①本工程计算程序采用SATWE和MIDAS分别进行计算，最大层间位移角、周期比、剪重比、抗剪承载力等计算结果基本吻合，满足相关规范的要求。
②结构中布置的型钢混凝土构件均满足地震作用下的性能设计指标，与连体直接相连的型钢混凝土构件满足中震弹性要求。
③计算过程中，两个塔楼核心筒外围剪力墙连梁首先发生屈服甚至破坏，表明结构设计中布置的连梁首先进入塑性状态进而破坏，发挥了结构抗震设计中“第一道防线”的作用，符合建筑的抗震概念设计。
④施工中的沉降观测表明，两个塔楼沉降均匀稳定，这表明桩基及筏板设计中采取的相关措施是可行的、有效的。
⑤上部连体所在楼层的办公空间使用效果良好，表明结构设计时采取的间隔设置整层钢桁架的措施是必要的，充分保证了建筑的使用功能。
关键词：高层建筑；结构设计；对称连体；构造措施
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
工程概况
某工程位于河南省郑州市郑东新区，该建筑地下2层，地上15层，建筑高度59.00m。地下两层为地下车库（人防区域）和设备用房，地上一、二层为商业裙房，主楼为15层写字楼。本工程主楼为框架——核心筒结构，裙房为框架结构，建筑结构安全等级二级，地基基础设计等级乙级，主体结构设计使用年限为50年。地下室防水等级二级，地下水埋深-2.95米，地下室混凝土抗渗等级P8，屋面防水等级Ⅱ级。
本工程建筑抗震设防类别丙类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.15g，设计地震分组第二组，场地类别Ⅲ类，特征周期Tg=0.55sec，建筑结构的阻尼比0.05。
本工程主楼基础采用CFG桩复合地基，裙房基础采用长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼灌注桩作为抗拔桩，主楼及裙房整体采用平板式筏板基础。
结构设计
2.1 结构布置
本建筑两个主楼均为框架核心筒结构，布置及刚度基本对称，平面基本柱网8.4x8.4m，核心筒剪力墙厚度外筒300，中间200，钢筋砼柱及型钢砼柱截面900x900，主楼顶部三层采用连体结构相连成为整体，实现大空间办公的要求，连体部分跨度25.2米、宽度25.2米。连体部分采用三榀三层高的钢桁架与两栋主楼刚性连接，与钢桁架相连的六个框架柱采用型钢砼柱直接生根于基础，在保证钢桁架刚性连接的同时，有效地降低了框架柱的轴压比，减小了柱截面，为地下车库的布置提供了有利条件。
钢桁架的弦杆采用焊接H型钢，并向主楼延伸一跨至核心筒，延伸跨框架梁采用型钢砼梁，在充分保证结构整体刚度的同时，提高了结构的延性，有效保证了剪力的传递。桁架腹杆采用焊接方钢管，弦杆、竖腹杆、斜腹杆中心线在节点区交汇于一点，腹杆与弦杆、弦杆与型钢砼柱内钢骨均采用刚性连接。
2.2 结构概念设计
①适当增强两个塔楼的抗侧刚度，以减小楼层的侧移和层间位移角。
②优化两个塔楼核心筒的剪力墙布置及墙体厚度，增强结构的抗扭刚度，减少结构的扭转效应。
③连体部分共四层楼板，在每个楼层处设置水平弦杆，布置三片整层钢桁架与楼层处的弦杆构成一个整体，和楼板以及构造水平支撑协同作用，使其具有足够的竖向抗弯（抗剪）刚度、水平抗弯（抗剪）刚度，并满足承载力设计的要求。
④与钢桁架直接相连的六个框架柱采用型钢砼柱生根于筏板，与型钢砼柱直接相连的框架梁采用型钢砼梁，以保证连接的可靠性，并使连体与塔楼实现连续平稳过渡。
2.3 连体结构设计
2.3.1连体部分在竖向荷载作用下的传递路径：楼面——次梁——主梁——钢桁架——主楼的型钢砼柱——基础，在豎向荷载作用下，连体受弯，对主楼的不同楼层产生相应的拉压应力。为保证连体部分竖向荷载的有效传递，采取以下措施：
①钢桁架采用三层高的整层桁架，桁架弦杆与腹杆刚性连接，增强桁架的竖向抗剪刚度。
②与连体直接相连的框架柱采用型钢砼柱生根于基础，与连体间接相连的框架柱采用型钢砼柱，并将型钢向下延伸一层，充分保证连接的可靠性以及框架柱的延性。
③与型钢砼柱直接相连的框架梁采用型钢砼梁，型钢砼梁与型钢砼柱连接节点区柱内型钢贯通，梁内型钢与柱内型钢可靠连接，有效增强连体端部构件及节点的延性，节点构造满足相关规范的技术要求。
④连体部分楼面次梁采用焊接H型钢，与钢桁架的弦杆采用铰接，有效传递楼面竖向荷载。
2.3.2 连体在水平荷载作用下的传递路径：立面幕墙——楼板——主楼。在水平地震力作用下，连体协调两塔楼变形而使得整体结构的刚度增大、周期减小，自身则产生较大的竖向及水平变形，为保证水平荷载的有效传递并增强两塔楼的协调工作性能，采取以下措施：
①连体所在楼层顶部、底部的楼板厚度取180mm，并向主楼延伸至核心筒所在跨；连体所在中间两层的楼板厚度取150mm，并向主楼延伸一跨，以增大楼面的整体刚度。
②连体所在楼层以及下一层的楼板配筋整层采用双层双向配筋，并适当加大配筋率（尤其加大连体所在顶部、底部楼板的配筋）。
③钢桁架两侧第二跨对应位置设置两道构造性的水平支撑，与楼板一同传递水平力，并适当增强连体的水平抗剪刚度。
2.4 结构弹性计算分析
两个塔楼与连体由于采用刚性连接，在计算时进行整体建模计算。主楼的结构弹性分析采用SATWE和MIDAS分别进行计算，以利于校核计算结果。SATWE及MIDAS分别采用刚性楼板假定（连体部分楼板为弹性板）来计算结构的动力特性、楼层位移、层间位移角、周期比等；杆件内力分析及构件设计等采用SATWE的弹性板模型进行分析。采用SATWE和MIDAS进行反应谱分析时，均考虑偶然偏心和双向地震作用，对二者分析计算的结果进行比较发现，两个程序的计算结果基本一致（例如，结构的扭转周期比：SATWE，Tt/T1=0.774；MIDAS，Tt/T1=0.778），结构弹性分析结果基本可行。
根据MIDAS模型的计算结果，分析连体楼层在中震作用下楼板的应力分布及极值，例如连体部分第1振型的自振频率4.15Hz。塔楼与连体连接处楼板的拉应力较其他部位大，尤其是转角处，这些部位的楼板在设计中加强其构造措施。在水平地震作用下，连体由于协调两塔楼的变形而使得自身产生较大的竖向及水平的弯剪变形，尤其是钢桁架的端部斜腹杆，设计中适当加大这一杆件的壁厚，保证连体主要受力构件的中震弹性。
设计中采取的构造措施
①连接体及与连接体相连的结构构件在连接体高度范围及其上下层，抗震等级提高一级。
②与连接体相连的框架柱在连接体高度范围及其上下层，柱箍筋全长加密，轴压比限值按其他楼层框架柱的数值减小0.05采用。
③与连接体相连的剪力墙在连接体高度范围及其上下层设置约束边缘构件。
④连接体及与之对应的主楼楼板、连接体上下层楼板配筋采用双层双向配筋，连接体底层楼板和顶层楼板厚度加厚之180mm，并向主楼延伸两跨；连接体中间两层楼板厚度加厚至150mm，并向主楼延伸一跨。
⑤与钢桁架直接相连的框架柱采用型钢砼柱，与型钢砼柱直接相连的框架梁采用型钢砼梁，与型钢砼梁对应另一端的框架柱采用构造型钢砼柱，构造型钢砼柱内型钢向连接体以下延伸一层。
⑥钢桁架腹杆采用方钢管，腹杆与弦杆采用刚性连接，各构件中心线重合。
⑦由于建筑高度小于60m，充分考虑经济性因素，设计时，除核心筒四角的剪力墙边缘构件按框架核心筒结构考虑外，其余剪力墙均按框架剪力墙结构执行。
⑧钢桁架两侧第二个柱间对应位置加设构造性水平交叉支撑，水平支撑顶部距离楼板底部150mm，使水平支撑不承受竖向荷载，仅传递水平力。
⑨与钢桁架直接相连的六个框架柱以及同列的另外两个框架柱采用型钢砼柱落地，抗震等级提高一级。
4. 结语
①本工程计算程序采用SATWE和MIDAS分别进行计算，最大层间位移角、周期比、剪重比、抗剪承载力等计算结果基本吻合，满足相关规范的要求。
②结构中布置的型钢混凝土构件均满足地震作用下的性能设计指标，与连体直接相连的型钢混凝土构件满足中震弹性要求。
③计算过程中，两个塔楼核心筒外围剪力墙连梁首先发生屈服甚至破坏，表明结构设计中布置的连梁首先进入塑性状态进而破坏，发挥了结构抗震设计中“第一道防线”的作用，符合建筑的抗震概念设计。
④施工中的沉降观测表明，两个塔楼沉降均匀稳定，这表明桩基及筏板设计中采取的相关措施是可行的、有效的。
⑤上部连体所在楼层的办公空间使用效果良好，表明结构设计时采取的间隔设置整层钢桁架的措施是必要的，充分保证了建筑的使用功能。