广州某超高层双塔钢结构连廊设计与分析

广州某超高层双塔钢结构连廊设计与分析

李小东1,谢斌1

1.深圳市粤鹏建设有限公司，广东  深圳 518000

摘要：对两栋高度不同的超高层连体结构的钢结构连廊，分别从结构选型、楼板应力及舒适度等方面进行了计算分析，找出其在地震作用、温度作用下结构的薄弱部位，以及在人群荷载的作用下，对其进行了竖向振动楼板舒适度分析。结果表明：(1)该钢桁架连接体所选的结构刚性连接方案能满足相关的建筑使用功能要求且能有效的传递两端的水平力和协调两端塔楼的变形；(2)连体结构楼盖基本满足建筑功能的竖向振动舒适度要求,加速度峰值满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)的相关要求；(3)个别部位楼板应力集中现象较为显著，如斜腹杆与楼层相连接处，在设计时应对该类部位的楼板做特别加强。

关键词：钢结构连廊；动力特性；楼板应力；舒适度

0 引言

目前，在高层建筑中，连廊作为两栋大跨度建筑物之间的连接体，使用钢结构连廊除了能有效降低交通压力的情况下，还凭借着其自重轻、施工方便和造价成本低并且和玻璃幕墙的有效结合还能带来强烈的视觉效果等一系列优点，已被广大甲方和设计师所青睐，但同时其在设计过程中的存在的重点、难点问题也十分突出，尤其在稳定性的控制方面需要广大设计人员对其进行全面分析和研究，综合考虑各种不利因素对钢结构连廊所带来的不利影响，并采取相应的有效措施提高结构在后续使用过程中的安全性和稳定性。本文以广州市某超高层双塔结构的钢结构连廊设计为例，着重从结构体型选型、楼板舒适度和应力分析等几个方面展开分析研究，研究结果满足相关规范要求且顺利通过了超限专家审查，能为以后的相关设计提供一定的参考价值。

1工程概况

本项目位于广州市番禺区汉溪大道与万博大道的交汇处，为两栋超高层双塔连体结构，其中A塔26层，建筑高度125.5米，B塔32层，建筑高度148.5米。在25~26层之间设置钢结构连廊，连廊宽度为22.6米，跨度为38.7米，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅰ1类。

图1 效果图

Figure 1 Rendering

2 塔楼动力特性的研究与结构选型

2.1 动力特性的研究

连接体是本工程的重要组成部分，其受力复杂，连接体与塔楼不同的连接方式对结构的整体受力性能有非常重要的影响。针对连体结构的特点，设计应尽可能使两栋塔楼的结构动力特性（周期、振型、位移等）相近，从而减小连接体在地震或风荷载作用下承受的内力——两塔之间的动力特性一致性越高，连接体的负担就越轻。当连体结构两端的塔楼动力特性接近，且连体较强，可以协调两端塔楼变形时，宜采用强连接方式。否则宜采用弱连接方式[1]。

本工程连体两端塔楼的高度显著不同，其中A#塔为26层约130米，C#塔为32层约150米。在两栋塔楼结构布置相近的情况下，B#塔由于高度更高整体刚度相对偏柔，而A#塔相对偏刚，造成在连体楼层变形不协调，扭转偏大，并导致层间位移角进一步放大。为此我们需要通过结构布置的优化调整争取实现两栋塔楼的结构动力特性尽量接近，主要的方针是在结构合理且整体指标满足要求的前提下，弱化A#塔而强化B#塔。通过对两个计算模型不断的调整试算，得到了两个动力特性相近的建筑单体，然后按照实际情况在两栋塔楼之间加入连体结构，在保持A塔不再调整的基础上，而对B塔不断地进行强化调整的原则下，再进行调整试算。

经上述优化调整后，两栋塔楼的动力特性进一步“靠拢”，最大层间位移角为 1/712 （＜1/650），两者在连体下层的 Y 向位移差仅为 6.0mm（地震作用下），层间位移角差降至 0.00020。

调整前                            调整后

图2.1 调整前后Y向位移曲线对比

调整前                            调整后

图2.2 调整前后Y向层间位移角曲线对比

2.2 结构选型

通过上述步骤的优化之后，本工程的连体结构两端的塔楼动力特性接近，通过对该连接体的结构选型进行了大量计算对比分析，最终选定刚接连体方案，刚接连接体可以和塔楼整体协调共同受力，能够很好的协调连接体两端的变形及振动所产生的作用效应[2]。连体采用钢结构，边品采用刚行架，同时楼面内设水平钢斜撑以增强平面内刚度，且该方案满足建筑功能与外观的相关要求。

3 连体区域楼盖竖向振动舒适度分析

3.1 自震频率计算

本工程连廊跨度将近40米，设计中一方面要控制刚度和强度，另一方面对其舒适度也要进行严格控制，且相关震动频率要满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)（以下简称高规）的相关限值要求。

通过已建好的计算模型，用恒、活分别为1和0.2的转换系数，对附加荷载进行转换，通过动力计算分析得出连体区域第一阶竖向自振频率为2.26HZ。

结构的竖向自振频率位于人步行频率范围之内，需要进一步验算结构的加速度振动响应。

3.2 舒适度评价标准

连体结构除了符合正常的使用功能条件外，还应满足一定的舒适度要求。通过对模型施加不同的行人激励工况，得出结构的固有频率，进一步对结构的振动特性进行分析以对不同工况下的动力响应进行模拟分析。

《高规》（JGJ3-2010）表 3.7.7 规定

连体区域的建筑使用功能为：26F 办公；28F 屋面花园。

舒适度评价时，《高规》显示对不同的人员活动环境有不同的加速度限值，对本结构在办公和室内连廊两种不同环境下进行差值法计算，得到的加速度峰值分别为0.074m/s2、0.211m/s2.

连体区域中部的节点为本次舒适度计算分析的关键节点，并提取该范围内所有节点的竖向振动加速度峰值，分别对其中最大绝对值及各点平均绝对值进行评价。各层中部区域范围节点平面示意图如下：

图3.1 26F 中部区域节点平面示意图（共 34 个考察节点）

图 3.228F 中部区域节点平面示意图（共 38 个考察节点）

3.3 楼盖竖向振动舒适度分析

1.人行激励荷载及工况

为了研究结构在真实的行人荷载下的振动特性，我们对其在行人激励下的响应进行数值模拟仿真分析，计算如下[3]：

式中：Fz（t）为垂直方向的步行激励力；P为体重； 为第i阶谐波分量的动力系数， ， ；fs 为步行频率；t 为时间； 为为第i阶谐波分量的相位角，,  。

图3.3 步行荷载时程曲线

根据建筑使用功能，考虑以下两种可能出现的不利情况：

工况 A：假设18人分列3行，分布于加载层楼盖主框梁之间的板块1/3节点处，以结构自振频率2.256388Hz连续行走。人行激励采用步行荷载。

工况 B：假设加载层楼盖上人员的密度为0.2人/m2。整层楼盖面积为830m2，共有n=830×0.2=166 人。整层楼盖上行人和固有频率同步的人数为： ≈ 24 人，人行激励采用步行荷载。

2.结构在人行激励下的响应两种工况下，分别计算人行激励作用于单层（即 26F或28F）楼盖上时加载层楼盖的响应，以及人行激励同时作用于26、28F共两层楼盖时，各层楼盖的响应。

工况 A-26F 单层加载-最不利点竖向振动加速度时程曲线如下：

工况 A-28F 单层加载-最不利点竖向振动加速度时程曲线如下：

工况 A-两层同时加载-最不利点竖向振动加速度时程曲线如下：

工况 B-26F 单层-最不利点竖向振动加速度时程曲线如下：

工况 B-28F 单层-最不利点竖向振动加速度时程曲线如下：

工况 B-26F~28F 两层同时-最不利点竖向振动加速度时程曲线如下：

3.4 计算结果小结

通过对加速度峰值的最大值和平均值进行提取分析，得出结果如下：

最大值：各工况下，加载层的楼盖竖向振动最不利处节点的加速度峰值。近似认为，最大值反映了楼盖局部某点处可能发生竖向振动的最不利情况，但范围很小。

平均值：各工况下，加载层中部区域各节点加速度峰值绝对值的平均。近似认为，平均值反映了加载层中部区域的范围可能发生竖向振动的情况。

计算结果汇总如下表一所示：

表一

本次计算分析仅考虑了连续步行荷载，若根据不同的建筑功能，考虑可能发生的其它人行激励方式，采用其它激励进行分析，楼盖竖向振动情况会有所不同。单层加载时，由于各层楼盖刚度大小有所不同，各层的加速度峰值有所差异；两层同时加载时，在连续步行荷载激励下，加速度峰值亦有所差异。但结合连体区域的建筑功能，在实际使用过程中，两层同时加载的情况发生概率较低。

3.5 竖向振动舒适度评价

舒适度评价标准下表二所示：

表二

根据表二的计算结果，对连体区域各层的竖向振动舒适度进行评价，如下表三所示

表三

经上述分析，综合判断连体结构楼盖基本满足建筑功能的竖向振动舒适度要求。

4 连体区域楼板应力分析

4.1 中震作用下楼板应力分析

为防止地震作用对楼板造成过大损坏导致其刚度退化严重，从而影响对水平地震力的有效传递。因此，我们有必要对连体区域的楼板应力加以分析，以确保薄弱部位楼板保持弹性工作状态。采用 YJK 进行弹性楼板分析，楼板采用壳单元模拟。以下各图分别举例显示了中震作用下，连体区域结构楼板应力图（单位：MPa）。

图 4.1 连体区域-26F 中震作用下 X 向楼板应力图

图 4.2 连体区域-26F 中震作用下 Y 向楼板应力图

图 4.3 连体区域-28F 中震作用下 X 向楼板应力图

图 4.4 连体区域-28F 中震作用下 Y 向楼板应力图

上述应力结果显示，中震弹性时的工况组合下，由于连体区域的空间效应，26F 楼板基本呈受拉状态，28F 楼板除两端部局部受拉外，其余中间大部分区域基本呈受压状态。26F 大部分区域楼板的拉应力值在 2~12MPa 范围内，设计中将相应配置适量的纵向拉通板筋。28F 两端部局部区域受拉，拉应力值在 0~10MPa 范围内，设计中应考虑增设局部加强钢筋；中间大部分区域楼板的压应力值在0~-5MPa 之间。但应特别留意的是，个别部位楼板应力集中现象较为显著，如斜腹杆与楼层相连接处，应对该类部位的楼板做特别加强。

4.2 连体区域温度作用下楼板应力分析

对连体区域各层楼板在升、降温作用下进行弹性楼板应力分析，对钢构件考虑温差±20℃，同时考虑钢筋混凝土楼板的塑性及徐变效应引起的温度应力折减，取折减系数为0.30。以下各图分别举例显示了小震作用下，考虑升、降温作用下连体区域结构楼板应力图（单位：MPa）。

图 4.5 连体区域-26F 小震-温度作用下 X 向楼板应力图

图 4.6 连体区域-26F 小震-温度作用下 Y 向楼板应力图

图 4.7 连体区域-28F 小震-温度作用下 X 向楼板应力图

图 4.8 连体区域-28F 小震-温度作用下 Y 向楼板应力图

上述应力结果显示，小震-温度最不利荷载组合作用下，由于连体区域的空间效应，26F楼板基本呈受拉状态，28F楼板除两端部局部受拉外，其余中间大部分区域基本呈受压状态。26F大部分区域楼板的拉应力值在2~4MPa 范围内，设计中将相应配置适量的纵向拉通板筋。28F两端部局部区域受拉，拉应力值在 0~3MPa 范围内，设计中应考虑增设局部加强钢筋；中间大部分区域楼板的压应力值在0~-4MPa之间。且应特别留意的是，个别部位楼板应力集中现象较为显著，如斜腹杆与楼层相连接处，在设计时对该类部位的楼板做了特别加强。

5 结语

(1)经过对两栋塔楼不断的调整试算，使A-B#塔楼之间的动力特性相匹配，在此基础上采用了刚接连接方式，连接体可以和塔楼整体协调共同受力，能够很好的协调连接体两端的变形及振动所产生的作用效应。

(2)大跨度刚连廊应重视其自身的频率特性和人群所产生的激励行为，应在不同的荷载工况下进行分析计算，得到的最大的峰值加速度应满足相关规范要求。

(3)应对连体区域的楼板在地震作用和温度作用下出现的应力集中现象采取相应的加强措施，如斜腹杆与楼层相连接处，应对该类部位的楼板做特别加强。

参考文献

[1] 吴杰, 干钢, 宣基灿. 舟山行政中心双塔连体高层建筑的抗震分析与设计[J]. 工程设计学报, 2004, 11(2): 106-110.

[2] 徐培福. 复杂高层建筑结构设计[M]. 中国建筑工业出版社, 2005: 314-315.

[3] 高层建筑混凝土结构技术规程: JGJ 3—2010[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

[4]娄宇, 吕佐超, 黄健. 人行走引起的楼板振动舒适度设 计[J]. 特种结构, 2011, 28(2): 1-4.