复杂高层建筑高位连接体结构设计.pdf

第 卜 九届全国高层建筑结构学术交流会论文 2 0 0 6 复杂高层建筑高位连接体结构设计 李军华 安阳布建筑设计研究院 安阳4 5 5 0 0 0 提要大底盘双塔高位连体的高层建筑属典型的复杂高层建筑，通过对本工程结构力学棋型的建立， 整体计算分析，以及高位连体与主楼相互间的影响。详细分析了大跨、商位空中连体的结构设计. 关健词大底盘双塔、大跨度、 钢析架屋顶网架 1 工程概况 铜陵市行政中心建筑方案及施工图设计由安阳市 建筑设计研究院完成。现己于 2 0 0 4年底竣工投入使 用， 其办公主楼为大底盘、 双塔、 商位连体的2 3 层框 架一 剪力墙结构 含地下人防1 层 ， 裙房3 层，建筑 总高度8 5 . 5 m ，总建筑面积 3 6 7 9 0 . 7 m 。平面为工字 形， 甩出 部分明显大于楼面宽度的0 . 3 5 倍， 属平面 不规则结构，且裙房部分东西全长 1 3 2 m ，南北宽 6 2 m ， 因此， 裙房的两翼与主楼以防震缝分开， 两塔 楼主体东西全长5 3 . 4 m ， 南北宽4 0 m ， 于十六十八 层 即 标高5 7 . 6 -6 8 . 4 口 处为连接两塔楼的连廊， 跨度2 2 . 2 0 m ，面宽8 . O m , ,屋顶盖采用网架结构形 式， 跨越两塔楼，本工程为典型的复杂体形超限高 层建筑结构。见立面图及平面图。 Z自 然条件及设计要求 2 . 1自 然条 件 该 地区 的 荃 本风 压 0 . 4 8 K N / m ， 地 面 粗糙 度B 类， 地 震基本 烈 度6 度.n 类场地土。 2 . 2设计要求依据 建筑抗震设防分类标准 ，本工程抗震设防类别为丙类建筑， 抗艘 设防烈 度为6 度， 框架及剪力墙抗震等级均为三级， 根据复杂高层建筑的要求抗震设计时， 连接体 及与连接体相邻的结构构件的抗震等级应提高一级，因此，于连廊相连的框架及剪 力墙应为二级。建筑物结构安全等级为二级，设计合理使用年限5 0 年。 李军华，女.1 9 6 8 . 6 出生， 工 学学士， 剐核授级高工软 授饭 高工 “ 5 2 9“ 第十九届全国高层建筑结构学术交流会论文 2 0 0 6 3 结构选型分析 3 . 1主休双塔楼 根据建筑高度、 体形特点， 双塔楼采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构， 与连廊相连的范围设置钥筋混凝土井筒及钢骨混凝土柱，以 便增强双塔楼结构刚度， 减少 侧移，削减塔楼对弱连廊的作用效应。 3 . 2高位连廊 在初步方案阶段， 对连廊结构的选型进行了预应力混凝土巨型框架和钢析 架两种方案的比较， 从结构的整体分析总信息表明， 两种方案均能满足限制要求， 但从周期 扭转比结果表明 前者扭转比明显高于后者， 剪重比增加， 说明预应力混凝土巨型框架连廊 对主塔楼影响较大， 由于其自 重、刚度均较大，不仅造成地震力的增加，使得主体构件梁、 墙、 柱、基础断面及造价都相应提高， 而且不能体现建筑造型的要求。从施工角度， 结构 要求构件达到强度后方可拆模， 给高空混凝土支模技术提出高 难度的要求，高空模板的 突 然拆除又会使巨 型框架瞬时加载对构件产生不利的次应力影响。如采用钢析架结构方案， 不仅结构自 重、 构件的断面得以 大幅度的减小和减轻，剪重比、扭转比 也相应的减小， 而 且也体现了 立面造型的轻盈、 通透， 时代感更强， 又增加了 房间的净空面积 从施工角度， 钢结构施工速度快、不需支模， 综合造价低等优点，因此，高空连廊采用钢析架方案。 与 主楼钢骨混凝土刚接。 连廊部分的 楼屋面结构设置水平钢支撑与竖向 钢析架组合为箱形钢 结构体系， 楼屋盖采用压型钢板与混凝土组合结构，利用压型钢板作为 模板， 可减少施工 支模费用。 3 . 3项层屋盖 跨越两塔楼的屋盖采用空间网架， 网架一侧设不动铰支座支承于左塔楼， 另 一侧设双向滑动的抗震球形支座， 以消除 在地震作用下出现不同方向的相对位移、 网架的温 度应力、风荷载等对塔楼的不利影响. 4 连体结构的计算分析与设计 4 . 1连体结构参与整体分析 由于本工程属复杂体形超限高层建筑结构，尤其是双塔之间的大跨度高位连体部分是 设计中的关键部位， 连体部分一方面要协调两塔楼结构的变形，在水平荷载作用下承受较 大的内力，另一方面本身跨度较大，除竖向 荷载作用外，竖向 地震作用也非常敏感。连接 节点处理不当 将难以 保证结构的安全。 另外，双塔连体结构的 扭转效应非常明显，对于对 称的 双塔连体结构，由于连体楼板的变形， 两塔除有同向的平动外，还可能产生两塔楼的 相向运动。 4 . 2计算程序及计算方法 针对本工程体形复杂，局部存在S R C 结构及钢结构的特点， 在进行多遇地震作用下的 内力和变形分析时， 采用了多程序、多模型、多方案综合分析比较的方法，以期 准确地反 映该主楼、 连廊、屋顶网架相互间的影响力。 地震作用计算方法采用振型分解反 应谱法和 多遇地震下的时程分析补充计算。整体计算选用中国建筑科学研究院P K P M 工程部编制的 高层建筑结构空间有限元分析与设计程序S A T IY E 和该工程部开发的另一特殊多高 层建筑结 5 3 0 第十九届全国高层建筑结构学术交流会论文2 0 0 6 构分析与设计软件P M S A P ， 对连体结构进行了4 5 种振型分析比较。 局部钥结构采用S T S 及 美国S T A A D P R O - 2 0 0 1 进行对比分析，以确保结构的安全。 4 . 3连廊参与整体计算模型及荷载输入 1 连廊楼板模型输入按弹性楼板计算 板厚1 5 0 m m 和弹塑性楼板计算 即楼板O m m I 不考虑楼板的共同作用 两种情况计算。 2 连廊部分荷载的输入 竖向 荷载把楼面荷载转化为线载作用于次梁上， 再通过次梁传到边析架节点上。 水平荷载; 主要是风载， 由支撑、 次梁、 边析架组成的几何不变体系承担， 并通过与塔 楼连接的节点板传到塔楼上。 4 . 4 屋顶网架参与整体计算模型及荷载的 输入; 1 网架模型的输入 根据2 0 0 1 年3 月份上海P K P M 展示会提问 与解答上讲 “ 屋面网 架在模型中可近似按楼板平面内 无限刚考虑， 保留柱不输梁， 把网架传给四周的竖向 集中 力和水平推力作为外力加到周围的梁柱上”的方法，输入刚性楼板时采用等效梁作为板的 支承， 参与整体分析计算。 2 网架支座荷载，根据单塔搂计算模型，得出的最大相对位移量，对可滑动支座施 加两顶塔最大位移量， 求得两塔楼相互作用时产生的内 力及竖向 荷载，网架内 力计算采用 M S T 3 . 0 . 4 . 5水平地展和风荷载作用下相互影响的 分析 连体结构按规范要求除进行振型分解反应谱法计算外， 还应补充弹性时程分析计算， 6 度设防 时， 可不进行竖向 地震作用的 计算。 在风和水平地震荷载作用下， 结构除产生 平动变 形外， 还将产生扭转变形， 各塔楼间除有同向的平动变形外， 还将产生塔楼间的 相互运动。 各 种平动、扭转振型祸合在一起使得整体结构的 扭转效应非常明显。 在抗震分析时既考虑了 平扭祸连的扭转效应， 又考虑了双向地震作用和偶然偏心地震作用的最不利工况计算。 振 型数4 5 种，振型的质量参与系数达9 1 . 0 6 。计算表明 连体部分的 楼层抗侧刚度相对于下 部两塔楼刚度之和较大， 剪力突变，根据规范连体下部为薄弱层， 其薄弱层对应于地震作 用标准值的地震剪力应乘以1 . 1 5 放大系数。 该工程周围空旷， 风荷载计算时可不考虑邻近 建筑相互干扰的影响。 4 . 6两侧塔楼对连廊的影响 通过整体分析计算表明;该连廊整体刚度较弱，但楼层剪力产生突变， 连廊的内力也 产生变化。 地震时， 连体两侧主楼有相互错动趋势，连廊部分的楼面可相当于作用在主体 部分的 楼面水平拉杆并承受楼面内的剪力，按第一阶段弹性设计楼板取1 5 0 二厚计算时， 由于楼板作用，减少了 析架上下弦拉杆的轴力，当 按第二阶段弹塑性设计时，即不考虑楼 面承受水平拉力和剪力作用时 板趋于0 . 钥析架上下弦杆轴力将增大。 边跨腹杆内力减 少。 4 . 7空中 连廊及网架 对两塔楼的 影响 计算结果表明由 于两塔楼比空中连廊、屋顶网架刚度大得多，因此，空中连廊及屋 顶网架对两塔楼的约束和钳制作用不太明显。 - 5 3 1 - 第十九届全国高层建筑结构学术交流会论文 2 0 0 6 主楼对网 架的影响通过网架可滑动支座允许的最大位移量来控制。 5 计算结果的正确性分析判断 通过计算结果分析，大底盘双塔连体结构有以 下特点 5 . 1振型通过多 模型比 较 ，由于结构具有对称性，其振型也具有对称性。 有连f m 存在， 比完全分离的双塔结构的整体性加强了，出 现了 左右塔局部变形的振型。 并有复杂的 扭转 藕联的振动。质量有效参与系数9 1 . 0 6 。符合规范要求。 5 . 2水平位移从变形方面看，各模型下位移几乎一样，无连体结构的双塔.其变形是完 全分离各自 变形，连体后大大提高了 侧向刚度，改变了双塔完全分离的状态。层间位移角 及顶点最大位移值符合规范限值要求。 5 . 3地展力从受力方面看，各模型底盘受力状态几乎完全一样，但上部结构有很大的不 同，连体后的一塔荷载有一部分通过楼盖传向另一塔， 连廊楼盖平面承受较大的剪力和弯 矩。抗震计算结果在 x , y 方向剪压比 分别为1 . 2 5 , 1 . 3 , 满足 0 . 7 5 -1 . 5 的要 求。 六度抗震设防时 。 5 . 4 对称性对称点的内 力和位移基本对称，偶尔有不对称现象，由于高振型的影响所 致。 5 . 5 渐变性;内力、位移自 上而下变化较均匀，由 于连廊存在， 连廊所在楼层剪力有突 变 现 象 ， 分 析 为 其 刚 度 增 大 引 起 的 地 展 作 用 力 增 大 以 及 高 振 型 影 响 所 致 5 . 6周期第一平动周期 T 1 1 . 8 2 7，第一扭转周期 T 3 1 . 5 0 6 3 ， 扭转比 0 . 8 2 3 0 . 8 5 , 符合规范要求。 6 连廊钥析架的设计 连廊部分为三层，上下两层通过竖向钢析架上下弦与两侧塔楼的剪力墙端柱内的型钢 柱刚性连接。中间层在上下层钢朽架的弦杆上另设立柱，形成一个较为独立的体系。这样 处理既满足了建筑的效果，又使上下层受力关系清晰明确。由 于 连体受两塔楼的扭转相互 错动的影响， 连廊部分的楼面结构设置了 水平钥支撑与竖向 钥格架组合为箱形钢结构体系， 适当增强其刚度，有利于承担各种不利的内 力组合。 楼屋盖采用压型钢板与混凝土组合结 构，利用压型钢板作为模板， 可减少施工支撑费用。为保证钢梁与混凝土楼板可靠连接， 在钢梁上焊接剪力栓以有效传递剪力。 钢析架采用超静定结构是基于概念设计考虑，设置 了多道防线， 通过多种计算模型，多种复核验算程序对各种因 素的分析与计算，取最不利 内力组合进行杆件和节点的设计。由 于连廊楼板整体刚度较弱， 模型假定时设为弹性楼板 1 5 0 m m 厚和弹塑性计算即不考虑楼板的共同作用 即板厚为0 ， 并 考虑罕遇地震作用下棍凝 土楼板的开裂，刚度退化时的杆件内力，析架按照弱杆件强节点，与塔楼之间的连接节点 更强的原则， 采取中间节点板厚度和焊缝 乘以1 . 0 5 放大系数， 与 塔楼之间的 节点板加劲肋 及焊缝乘以1 . 2 放大系数的措施.以 实现合理的破坏机制。 5 3 2“ 第十九届全国高层建筑结构学术交流会论文 2 0 0 6 6 . 1 竖向析架的杆件、 节点、内力分析 1 采用S A T W E 和P IA S A P 程序分别对连体结构不同 模型作整体分析计算， 分别求出 上下 弦杆和腹杆最不利的内力组合。 2 应用IM S T 3 . 0 . S T S 作钢析架本身静力计算，分别考虑了以下两种情况 1 析架铰支于钢骨柱的牛腿上，不受主塔楼的影响， 考虑x 方向自由的情况， 仅承 受竖向 静载作用 恒活 。 2 朽架铰支于钢骨柱的牛腿上，不受主体塔楼的影响，考虑x 方向 有约束的情况， 仅承受竖向 静载作用 恒活 。 3 应用美国S T A A D P R O - 2 0 0 1 程序， 在温度变化、 强迫支座Y 向水平位移 1 5 m o 的 情况 下， 对水平析架和竖向 将架整体空间析架模型进行分析计算， 1 在温度变化1 2 0 ℃情况下。 2 在析架支座水平位移1 5 m m 根据反对称性可得该位移值反向时的结果。 3 在自 重作用下 仅承受竖向 荷载时 。 4 内 利组合 综合上述竖向析架在各种计算模型下不同程序计算结果取其最不利组合进 行杆件及节点的 承载力计算。 注关于钥精架支座水平位移 1 5 m m 的取值说明 两塔楼在十九层析架支座处相对水平位移最大值为地展 作用下1 4 . 4 8 m m ， 风载 作用下1 0 . 5 m m . 当 来用1 5 m m 时， 在 承 载力计算时应对计算出的杆件内力乘以抗震调系数，当采用 1 0 . 5 .时， 在承载力计算时应对计算出的杆件内力乘以 荷载 分项系数， 可认为风荷载设计值引 起的支座位移值 〔 1 0 . 5 X 1 . 4 1 4 . 7 m m ， 接近 1 5 m m ，因此， 采用 1 5 m m 计算杆件承载 力是适宜的。 6 . 2 水平析架内利分析 连庙楼层处水平支排与边缘杆件， 次梁组成的 析架 应用美国S T A A D P R O - 2 0 0 1 计算在温度1 2 0 C，支座Y 向 水平 位移1 5 m m 及仅承受竖向荷载时的综合内 力， 取其最不 利结果 进行杆件与节点的 承载力计算。 田 压_匕 } { {婿酬.二 厂 口二 匕 . 011 1]应 }} 1， 1.圈 I } 」巨 一 {一 o f }下下 刃 I日 曰1 -. 柱与 特 翻 班 挂 立 . 6 . 3 连廊钢析架与主塔楼连接节点 通过受力分析， 连廊整体刚度较弱， 但内力很大， 连廊与 主塔楼连接节点设 计极为重要， 钢析架与主塔 楼剪力 墙端柱内型钢通过焊接形成刚性节点， 并考虑 对支座弯矩的 调整， 柱内型钥向 上、向 下各伸一层， 以 解决 局部承压及荷载传递问 题。 见图1 示 。 另外， 对上下弦端部节点考虑到安装及传递较大的竖向 反力 需要， 设置了 牛腿， 牛 腿承受最不利竖向 剪力及由 偏 心产生的 弯距，同时，也为防止当连廊完全失效时， ，可 刃}doo l厂 一 ‘刻 1砚石惊. 匕 _ I _ 日2衍知与成板连接节点 - 5 3 3- 第十九届全国高层建筑结构学术交流会论文 2 0 0 6 而采取的一种安全措施。 6 . 4竖向 钥析架节点的设计 根据上述内力组合结果，以及S T S , S T A A D P R O - 2 0 0 1 程序对各杆件强度、 平面的稳定性、 连廊的 位移 变形 等较验结果， 按钢结构设计规范进行设计。 析架弦杆为焊接工字钢，钢 材采用Q 2 3 5 - B . 焊条采用E 4 3 0 1 或E 4 3 0 3 . 所有弦杆拼接节点均为等强连接，工字形弦杆 翼缘和腹板采用1 0 . 9 级摩擦型高强螺栓连接。 翼缘和腹板的挣截面积开始可近似地分别取 翼缘和腹板毛截面面积的0 . 8 5 倍， 连接板钢材采用Q 2 3 5 - B ， 连接面接触处采用喷砂处理。 腹杆以 节点板与弦杆相连， 弦杆截面贯通， 弦杆上对应翼缘的 位置设置加劲肋。 见图2 示。 6 . 5 次梁与析架相交节点的设计 由于次梁与析架垂直相交并向外悬挑， 因 此， 次梁与 析架弦杆的连接节点为刚性节点 见图3 示。 翼缘拼接连 接盖板所需的截面面积及焊缝以 及梁腹板连接，均按等 强度条件计算， 也可采用实用计算法，即 梁翼 缘的净截 面的等强度设计进行翼缘的拼接连接，而腹板的连接除 对作用在拼接连接处的剪力进行计算外，尚 应以 腹板净 截面面积的 抗剪承载力设计值的1 / 2 或梁两端的作用弯 矩之和， 除以梁的净跨度长度所得的 剪力来确定。 6 . 6 连鹰部分楼、屋面设计 此处楼、 屋面板承受着楼面板水平拉力和面内 剪力， 连接部分由支撑、次梁、边析架组成水平钢析架几何不 一 扣 { 洲一诫 卿 、 } 圈3次染月 朽架节点 变体系共同承担该界面上产生的剪力。 次梁为工字钢梁， 楼面采用了钢一混凝土组合楼板结构， 用压型钢板作为楼板施工时的底模。为加强混凝土 ‘ 与钢梁间的连接， 钢梁的上表面均设置了抗剪栓钉， 栓钉规格为b 1 9 . 焊后长度1 2 0 m m ， 栓 钉在梁顶成对布置， 每对栓钉之间的间距 垂直于梁轴线方向 1 2 0 m m . 沿梁轴线方向的间 距为2 0 0 m m 。见图4 示。考虑到水平钢析架在 高空 作业仰焊较困难，因此，水平钢析架腹杆 采用螺栓连接。水平析架与主楼框架连接处， 采用梁上预埋钢板与水平析架焊牢。 楼、屋面 板厚均为1 5 0 m m ， 双层双向 配筋， 且控制每个方 向的 配筋率均大于 0 . 2 5 e 与其相连的塔楼楼 层板厚及配筋均和连廊处相同。 6 . 7 楼面钥梁截面的设计进行钢梁截面设 计 时， 不考虑组合楼板的作用而仅考虑本身的 承图5不助饺女座 载力， 使其有一定安 全储备， 按照抗震设防烈 度下“ 裂而不倒” 的原则。 当 进行弹塑性分 析时， 结 构产生了 很 大的 变形， 楼板开 裂严 重， 此时， 钢梁便不能和混凝土楼板共同工作。 . 5 3 4“ 第十九届全国高层建筑结构学术交流会论文2 0 0 6 7网架的设计与支座的形式 网架支座塔楼一侧设不动铰支座，网 架不动铰支座由加劲肋及支座底板组成， 见图5 ，为避免支座在温度变化、 风荷载、 地震作用下出现不同方向的水平位移对主 塔楼的影响，支座必须具有足够的变形能 力，因 此网 架于另一塔楼设双向 可滑动抗 震球形支座， 见图 6 , 抗震球形铰支座由 上下两部分组成，上部分为不动铰支座， 下部分为可自由 转动、自由 水平滑动的上 r } }} }} { 、沪让J 一 一 J- 协 书才 2二几 一 , 1, 二 卜 , r对 {场洲i 一二丁 一引 } }} }{ }门刃 窗 封. 吊钩妞佳 A-肉 己 Pa s抗 足 球 形 饺 支 座 盖板、聚四氟乙烯板、不锈钢圆板、相交密封圈与固定底座等部分组成。固定底座在支座 底托边沿开坡口，与下部预埋钢板焊接， 支座板件件均采用坡口 等强焊缝，支座上下两部 分通过高强螺栓连接在一起。该支座具有可承较大的压力和拉力、具有平动和转动的能力 的 特 点 ， 该 支 座 的 运 动 特 性 和 结 构 模 型 一 致 ， 通 过 对 单 塔 进 行 受 务 分 析 ， 得 出 顶 塔 最 大 相 对位移量5 8 . 6 7 m m ， 对可滑动支座施加强迫最大位移量求得两塔楼相互作用时产生的内力， 网架内 力计算采用M S T 3 . 0 。 计算时考虑竖向 风荷载及温度应力的影响。 8 连体结构与塔楼连接处的抗震措施 连体与塔楼连接处以 及屋顶网 架的支撑结构抗 震等级提高一级，柱内 设型钢，向下或向上各伸一 层，与内型钢柱相连的梁也采用型钢混凝土梁，水 平析架的梁与塔楼相邻的梁采取可靠的焊接锚固。 见图 7 。连体部分楼板加厚范围延伸至两塔楼各一 跨的范围。此加厚板范围的上下钢筋全部拉通，以 使连体部分能更有效地抵抗板内产生的水平剪力。 9 钢析架的施工要求 析架制作完成吊 装后， 与主体结构安装采用高 强螺栓固定后在进行焊接，与柱节点板连 接的上下 腹杆为工地焊接。钢析架与主楼型钢柱连接处为一 级对接焊缝， 其它焊缝为二级对接焊缝。 T型对接焊缝均为全熔透性对接焊缝。水平析架 施工为高空作业，与上下弦析架连接也采用高强螺栓固定后在焊接。水平腹杆采用螺栓连 接固定。 - 5 3 5- 第十九届全国高层建筑结构学术交流会论文 2 0 0 6 1 0 .钢构件的除锈、防锈、防火措施 1 0 . 1除锈方法喷射或抛射除锈，除锈等级 s a t 1 / 2 ; 1 0 . 2除锈涂料环氧富锌底漆二道，干漆膜纵厚度 7 5 -1 0 0 u 耐工地焊接部位及两侧 1 0 0 m m 、超声波探伤范围内的防锈涂料应在析架安装及超声波探伤完毕后再涂刷 1 0 . 3防火涂料采用经国家检铡机构检测合格的厚涂型防火涂料防护， 涂层厚度按实际 构件的 标准耐火试验数据确定，涂装后的耐火极限，杆件为不少于2 . 5 小时，与塔楼连接 处的节点不少于3 小时，其它节点不少于2 . 7 5 小时，涂料涂装后表面应平整均匀。 致谢连廊结构设计中， 得到李云贵、李国胜老师的热心指导。 参考文献 1建筑抗展设计规范 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 2 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 琐 程 J G J 3 - 2 0 0 2 3赵西安 现代高层建筑结构设计 上、中、下 4包世华 王建东 大底盘多塔连体结构的受力分析 1 9 9 6 年1 1 月 5包世华 王建东 大底盘多塔结构的振动计算 1 9 9 6 年6 月 6陈富生范 重高层建筑钢结构设计 5 3 6