某带连体高层结构设计

赵建超 孙兆民 徐 烨

(1．中南建筑设计院股份有限公司，湖北武汉 430071;2．中铁大桥局股份有限公司，湖北武汉 430071)

1 工程概况

宜昌市夷陵区人力资源和社会保障服务中心综合楼为宜昌市夷陵区林业局、宜昌市夷陵区人力资源和社会保障局拟建的办公大楼，位于宜昌市夷陵区夷兴大道和发展大道西南侧，由两栋12层主楼与一副楼组成，两栋主楼上部均有2层混凝土构架层，作为建筑幕墙的支承结构。两栋主楼在10层以下相互独立，在11层与14层之间设置一连体结构，将两主楼连通，连体部分中，仅11层为可用建筑空间，其余均为构架部分，只为满足建筑造型。两主楼设置一层连通的地下室。本工程不属于超限结构，但是须对连体部分进行详细计算。效果图见图1。

2 结构设计

2．1 荷载取值

本项目为丙类建筑，安全等级二级，抗震设防烈度6度，场地类别为Ⅱ类，设计分组为第一组，场地特征周期0．35 s。地面粗糙度类别B类，基本风压按100年一遇的风压取值:0．35 kN/m2。

2．2 基础及地下部分

基础采用桩基础，桩径800mm，中柱下一般布置5桩承台，承台厚度1．3 m，边柱下一般布置4桩承台，承台厚度1．4 m，均采用C35混凝土。

两栋办公楼地下连为一体，地下室结构层高4．95 m，地下室底板兼做防水板，厚度400mm，地下室下土层多为填土，设计时不考虑承台间土的承载力。

2．3 上部结构

本工程采用框架—剪力墙结构体系，柱截面主要尺寸700×900，700×600，主要柱网 8 m ×9．5 m，8 m ×8 m。框架柱 1 层，2层为加强层，柱墙采用C50混凝土，梁板采用C35混凝土，9层～12层采用C40混凝土，梁板采用C35混凝土。8m左右跨度的框架梁截面一般为400×600，9．5 m跨度的梁截面一般为400×750。

连体结构是复杂高层建筑中较为典型的类型，可分为弱连接和强连接结构［1］，弱连接一般有铰接，滑动连接，强连接结构大多通过连接体将两栋或多栋楼进行刚性连接。如图2所示，从平面图上看林业局办公楼与人社局办公楼垂直布置，由于两办公楼结构形式相同，质量与刚度接近，如果独立分开，则自振周期类似，但是考虑到是林业局的短方向与人社局长方向相连，在地震作用下，两栋办公楼不能够做到协同振动，如果采用强连接，则两栋办公楼会因不同的振动模态而产生较大的相互作用。因此，本项目连体采用弱连接。

图1 效果图

图2 平面图（11层）

3 连体部分计算与设计

3．1 计算模型及计算参数

结构整体计算分析采用Satwe，Midas/Building两种程序。周期折减系数0．8，考虑5%的偶然偏心及双向地震力，进行小震计算，连体部分及其以下1层按中震不屈服进行设计配筋。楼板假定，计算周期和位移时采用刚性楼板假定;计算杆件内力和截面设计时采用真实反映楼板完全弹性有限壳单元。

3．2 巨型悬臂梁与牛腿设计

本工程中连接体的弱连接方式采用平板式橡胶支座，在11层标高处，在林业局与连接体相邻边梁上设计3个牛腿，用来支承连接体一端，连接体另一端与人社局办公楼刚接，3个牛腿的间距分别为8 m，4 m，其中4 m为外伸悬挑部分，牛腿高1 m，宽1 m，见图3。

图3 牛腿平面布置图（单位：mm）

牛腿设置在h=3．1 m高的巨型梁上，梁宽600 mm，根据计算需要，确定牛腿高度后，为了保证连接体两侧的两栋办公楼在11层的建筑标高相同，连体部分的主梁设计成变截面主梁，以降低巨型梁高度，主梁跨度13．95 m，见图4。

因为连体两侧的结构由橡胶支座隔离，项目位于低烈度设防区，水平方向剪力较小，相互间传递的内力主要是竖向力，首先进行单栋分离计算，计算采用Satwe软件。人社局办公楼橡胶支座支承点采用短斜撑模拟，即支座处仅有竖向约束，类似摇摆柱支承，斜撑底部刚接。人社局计算得到三个支承点的竖向反力标准值分别为1 465．1 kN，1 715．2 kN，1 759．5 kN，总反力 4 940 kN。计算林业局办公楼时，将此三个反力作为节点荷载施加到计算模型上(见图5)。

图4 牛腿剖面（1—1）

图5 单栋独立计算模型

因为计算模型假定设置牛腿的巨型梁刚度无限大，而实际上巨型梁因为悬臂有4 m，刚度一定有所削弱，3个支点的刚度一定影响反力以及连接体构件的内力大小，因此，须建立整体模型，不考虑地震力，对3个牛腿的反力进行复核计算，取计算包络内力，进行配筋。计算采用Midas Building软件，计算模型见图6。人社局与林业局连体间连接采用弹性连接进行连接。

图6 整体计算模型

经过计算，牛腿处3个支点的反力分别为1 345．9 kN，1 848．1 kN，1 247．3 kN，见图7。由计算结果可见，悬臂端的支承反力减小，中间支点反力增大，而且，3个支点的总反力小于按刚性支点的反力，减小500 kN，牛腿设计按照包络值进行设计。连接体关键构件，如框架梁同样取两种计算方法的包络值。

连体与主楼的防震缝间隙要靠大震作用下的两楼的弹性水平位移，并取两者的绝对值之和，本项目防震缝间距200mm，以保证结构在大震作用下有足够的变形区间。

3．3 橡胶支座

橡胶支座采用叠层橡胶支座，使用年限50年，其设计部分参数见表1。

表1 设计参数

3．4 构造措施［2］

1)竖向构件。在连接体两侧的剪力墙从上至下均设置约束边缘构件，并且在连体上下1层加强箍筋配置，适当增加纵筋水平筋配置。

图7 连接体部分计算位移结果（单位：mm）

2)水平构件。连接体的主梁均深入人社局一跨，调整此跨截面与配筋与连接体主梁相近，并且将剪力墙布置在此主梁端部，上下钢筋均拉通布置，以抵抗连接体变形时产生的拉力。连接体主梁不能与框架主梁相连的就布置次梁与之相连，并加强连接体附近次梁的配筋，见图8，图中曲线加粗部分表示加强的主梁。连接体楼盖与屋盖采用双层双向配筋，以抵抗连接体变形时可能出现的拉应力。

图8 连接体部分梁布置

4 结语

1)对于两个单体任一方向上振动模态不同的连体结构，应采用弱连接。2)带有连体的结构，应增加结构的整体刚度和抗扭刚度。3)对于一个中小型项目，连体采用混凝土结构，虽然会带来自重较重，但是相对于钢结构而言，混凝土结构易于维护，造价较低，尤其适用于总费用控制较严的项目。

［1］徐培福，傅学怡，王翠坤，等．复杂高层结构设计［M］．北京:中国建筑工业出版社，2005．

［2］候书利，张 南．某复杂连体高层结构抗震设计［J］．建筑结构，2010，40(10):32-33．