某高层双塔结构连廊结构设计研究

某高层双塔结构连廊结构设计研究

杨丹宁

深圳华强新城市投资集团有限公司 518000

摘要：如今，国内的建筑业非常发达，建筑不满足于传统的常规建筑形式，其中多塔建筑就是其中一个重要分支。多塔建筑常见伴随的就是高位连廊，以实现建筑在外观上若即若离，在功能上相互连接的目的，同时又能展现结构的力与美，与之相应的结构形式也越来越复杂。本文根据实际项目，对高位连廊进行结构设计研究分析。

关键词：高层结构；多塔；高位连廊

项目概况：

本项目为某新建医院双塔住院综合楼, 设四层地下室、并在-1~-2层设置地下通道与现有门诊大楼地下室连通；地上23层(其中裙房9层)；结构标高98.44米。抗震设防烈度为7度(0.10g)，抗震设防类别为乙类，结构安全等级为一级，设计使用年限为50年，两个塔楼均为框架剪力墙结构，框架及剪力墙抗震等级一级。

根据建筑功能要求，两个塔楼之间在13层、17层和21层设置连廊。本文重点对此连廊进行分析。钢桁架连廊跨度约39m、两端宽度约25m、中部瘦腰约11m、高度约4.8m。钢桁架连廊附图如下：

结构方案为在同时在12和13层、16和17层、20和21层设置钢构件，共同作用形成空间桁架，12层、16层、20层不设置楼板。在一侧设置双柱刚接，一层与主体相连，结构缝位置与裙房相同。连廊最高处标高86.64m，结构缝宽按《抗规》6.1.4条计算为[100+20×(86.64-15)/4]×70%=320mm，考虑一定的余量，按350mm设置。连廊上层按 0.3m 覆土计算荷载，楼板厚度按 140mm，荷载按 6kN/m2(恒

载)+3.5kN/m2 (活载)考虑。

表1 连廊构件截面表

一、位移分析

正常使用极限状态下的跨中挠度按恒载标准值+活载标准值的标准组合计算，不考虑楼板的作用，楼板厚度设为零板厚，楼板自重折算成恒载。连廊标准组合(1.0恒+1.0活)位移计算结果见下图。由图可知，12~13层连廊正常使用极限状态下跨中位移约为 51.97mm，扣除支座竖向变形后跨中挠度约为 35.65mm（16~17 层、20~21 层连廊计算结果相近），跨中挠度约为跨度的 1/1120，满足《混凝土结构设计规范》3.4.3条要求。连廊在恒载作用下的跨中挠度（扣除支座变形）约为27.5mm，连廊按此变形量设置起拱值。

水平荷载作用下连廊远端与1A座塔楼（下图中AB点）之间相对位移见表2。由表可知，多遇地震作用下最大相对位移为 27.41mm，约为跨度的1/1470；风荷载作用下相对位移不大，最大相对位移为 6mm。同时复核连廊远端钢管混凝土柱的层间位移情况（下图中CD点和EF点），结果见表3、表4。由表可知，多遇地震作用下上下两组连廊之间钢管混凝土柱相对位移最大值为 14.905mm（不考虑偶然偏心），换算成层间位移角为14.905/(3900x3)=1/785，稍大于框架剪力墙结构的层间位移角限值要求（1/800）。

表2  21层AB点相对位移

表3  CD点相对位移

表4  EF点相对位移

二、应力分析

计算假定:不考虑楼板的作用，楼板厚度设为零板厚，楼板自重折算成恒载。下图为各层连廊在多遇地震及风荷载作用下的应力比计算结果，由图可知，各层连廊构件的应力比均小于 1.0，最大应力比 0.84，满足要求。下图为20~21层连廊构件应力比：

三、设防地震作用和罕遇作用地震分析

采用 YJK 完成连廊部分的中震弹性和大震不屈服下的反应谱分析。

（一）中震弹性分析

在设防地震（弹性）作用下连廊构件的应力比均小于1.0，最大应力比0.81，满足要求。斜撑最大轴力设计值N=-4533kN。上下弦主梁控制内力组合Mx=2202.6kN•m，My=65.6kN•m，N=7294.6kN。结果表明，连廊钢结构能够满足中震弹性的性能目标。

（二）大震不屈服分析

在罕遇地震（不屈服）作用下连廊构件的应力比仅个别杆件应力比接近1.0，最大值为0.975。结果表明，连廊钢结构能够满足大震下的性能目标

（三）考虑楼板刚度退化下钢结构构中震应力分析

为保证连廊钢结构在设防地震（弹性）作用下的安全，考虑连廊楼板部分屈服退出工作的情况。通过修改连廊楼板的厚度，考虑楼板刚度100%、50%和0%三种情况下验算中震弹性作用下平面斜撑构件的应力比，以12~13层连廊为例给出验算结果。随着楼板刚度的降低，楼板平面内斜撑应力逐渐增大；但即使连廊楼板完全屈服，刚度退化至0%，连廊楼板平面内斜撑应力比最大仍不超过0.50，能够满足要求。

四、抗连续倒塌设计

根据《高规》3.12.1 要求，安全等级为一级的高层建筑结构应满足抗连续倒塌概念设计要求。本工程考虑连廊远端处两钢管混凝土柱承担侧向偶然作用时的抗连续倒塌设计。在10层楼面~12层楼面、13层楼面~16层楼面和17层~20层楼面范围，对连廊远端双柱表面附加80kN/m的侧向偶然作用设计值，按《高规》式3.12.6-1~2复核其承载力。

对连廊远端双柱表面附加80kN/m的侧向偶然作用设计值时，双柱承载力能够满足要求。

五、穿层柱屈曲分析

    通过整体屈曲分析确定跨层柱计算长度方法是将该柱放在整体模型中，仅沿柱轴向施加单位荷载，再进行屈曲模态分析，从而得到构件的临界承载力 Pcr，通过欧拉公式反算构件的等效计算长度 Le。

    整体模型的屈曲分析具有较为直观的屈曲模态，可以直接看到结构整体的屈曲变形，通过判断各阶屈曲模态对应的变形来判断具体结构构件是否发生屈曲，从而得到其对应的屈曲临界力 。本工程跨层柱屈曲分析采用 YJK(V2.0.1 版本)。

结构的屈曲主要与轴力和荷载分布密切相关，本项目取整体结构的荷载工况为：恒载+0.5 活载。经复核安全。

六、楼板舒适度分析

楼盖结构的跨度增大时，其竖向振动的自振频率将会降低。当自振频率降低到一定程度，人的步行频率(1.5~2.5Hz)易与之接近接近时，人在楼盖上的运动可能会引起结构的共振，此时楼板的竖向振动可能超出人能够接受的程度从而引起结构安全问题。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 3.7.7 条规定楼盖的竖向振动频率不宜小于3Hz，且一般住宅、办公、商业建筑楼盖结构的竖向频率小于3HZ 时，需验算竖向振动加速度。

本工程在13层、17层和21层均有跨度长约40米的大跨度连廊，取13层连廊为代表，分析连廊楼板的舒适度。13层连廊楼板第一阶模态分析结果如下图（本层楼盖的前8阶模态为普通楼盖的振动，第9振形才出现连廊楼板振动）。由计算可知，在人行荷载（连续步行）作用下，连廊楼盖的竖向加速度最大值为0.095m/s，满足规范要求（室内连廊限值0.15 m/s）。

七、结构特点及抗震加强措施

对于13层、16层和21层连廊楼板，楼板采用钢筋桁架楼板，楼板厚度140mm，双层双向贯通配筋，且配筋率≥0.25%，并根据中震楼板应力分析结果设置附加钢筋承担中震下楼板拉应力，并加强组合楼板与钢梁的抗剪连接件。复验连廊大跨度楼板的舒适度，满足规范要求。

对于12~13层、15~16 层和20~21层连廊钢结构，分别按小震和中震弹性验算了构件应力和变形情况；补充连廊楼板按0%板厚、50%板厚和100%板厚三种情况下钢结构构件的应力结果并包络设计。施工图阶段连廊钢结构考虑起拱，起拱值按恒载单工况作用下挠度确定。

    13层、16层和21层塔楼与连廊相邻跨楼板加厚为200mm，双层双向贯通配筋，且配筋率≥0.30%。

结语：

随着现有的结构体系越来越复杂，常常会碰到超出过往经验的结构体系，对此应进行全方面的计算分析，保证结构的安全、经济。本文对此高位连廊进行分享，希望对后续的项目有所裨益。

参考文献

[1]超限高层建筑结构基于性能抗震设计的研究[J].张建新,李辉,孙柏涛.世界地震工程.2016(01)

[2]某超限高层建筑结构设计[J].王昉.建筑结构.2014(15)

[3]超限高层抗震性能目标的确定实例[J].于海博，陆道渊，赵明，建筑结构2010（10）