某大跨复杂连体结构设计

汤真

[摘要] 本文对一位于高约150米处的连接两个塔楼的大悬挑大跨双层连体结构设计进行了介绍。介绍了连体结构主要震害情况，对连体与塔楼间的强连接、弱连接等连接方法的优缺点进行了详细分析，对本工程采用的强连接方法及其在塔楼内部的连接方式进行了分析，在此基础上，对连体结构的变形、地震及竖向荷载作用下的楼盖应力进行分析。本工程的复杂连接对类似结构有一定参考价值。

[关键词] 建筑结构；结构设计；连接体；强连接；弱连接

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0工程概况

项目位于深圳市南山区高新园，由一栋超高层连体楼、一栋9层办公楼、3层商业裙房和3层地下室组成。其中超高层连体楼由南塔楼（45层，高199.5 m）、北塔楼（36层，高159 m）和在顶部连接南北塔楼的两层钢结构连廊连成一体，两层钢结构连廊设置于南北塔的 35、36层间，即北塔楼的顶部两层。北塔楼地面以上各层层高：1、2层为6.0、5.1m，3层为6.0m，4~9层均为4.5m，10层为4.5m，11~21、23~33层均为4.2m，22层、34层及以上各层均为4.5m。南塔楼各楼层层高均与北塔一致，项目效果图见图1。

结构设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，Tg=0.35s，抗震设防分类标准为丙类。基本风压ω0=0.75kN/m2（50年一遇）及0.45kN/m2（10年一遇）[1]。

图 1 连体建筑效果图

南、北两栋塔楼均采用钢筋混凝土管框架-核心筒结构，图2为塔楼连接连廊的平面位置关系示意图。在35、36层设置的两层高连廊从两个塔楼边悬挑伸出约20m，并与另一塔楼相连，悬挑端距塔楼的距离约61m。考虑到连廊悬挑跨度及连体跨度大，且为高约150米处的高位连体。

图2 连体层建筑平面示意图

1 连体结构与塔楼连接关系分析

架空连廊与两边主体结构的连接形式可以采用强连接或弱连接，强连接的连廊在地震中塌落较少，但一旦拉断塌落，则主体结构破坏严重；弱连接一般采用滑动连接，连廊在地震中容易塌落，尤其是连廊搁置在主体结构牛腿上的连接构造更易塌落，但滑动连接的连廊破坏对主体结构影响较小。两种连接的特点如下：

（1）强连接。当连接体由多层楼层组成，并且连接体具有足够的刚度，有能力协调两边塔楼的受力和变形，可选取强连接方式。

（2）弱连接：当仅作为架空的连廊设在两个塔楼之间时，由于连接体刚度相对较弱，无法协调两侧塔楼共同变形，则可使用弱连接方式。

强连接与弱连接有各自的优缺点：

强连接优点：①刚接节点比较容易做到。②处理好的话，连接体可以有效地协调两栋塔楼共同承担侧向荷载。

强连接缺点：①扭转效应明显：连接体要协调两个塔楼的变形，使得它们的响应相互影响。②连体结构的振型复杂，且平动与扭转振型多耦合在一起。③连接体受力复杂：连接体除了要承受自身的荷载外，还要协调连接体两端塔楼的变形及振动所产生的作用效应。④连接体与塔楼的连接处受力很大，构造的处理比较复杂。⑤连接体楼层处，竖向刚度突变，地震力会显著增加。

弱连接优点：①各塔楼可以独立计算，相互影响比较小。②连接体受力小，可按构造处理。

弱连接缺点：①应避免在地震作用下连接体的滑落或与塔楼产生碰撞。②采用滑动支座，在地震作用下会破坏玻璃幕墙的连贯性，影响建筑的立面效果。③采用橡胶支座时，橡胶支座的老化、更换等问题需要解决。

若连接体由多层楼盖组成，并且连接体具有足够的刚度，有能力协调两边塔楼的受力和变形，可选取强连接方式；若连接体仅作为架空的连廊设在两个塔楼之间时，由于连接体刚度相对较弱，无法协调两侧塔楼共同变形，则可选取弱连接方式。两塔楼层数和高度相差悬殊的连体结构，可以选取强连接或弱连接方式。

本工程两塔楼虽不需要通过连接体由另一端的塔楼提供抗侧帮助，但由于连接体由塔楼悬臂外挑，悬挑跨度约20米，悬挑端与另一塔楼的连接跨度也较大，最大达60余米，且连接体有两层，结构设计时南北塔楼在北塔楼顶部连接的两层连体与塔楼间仍采用刚性连接方式。

2 连体结构形式

连接体多采用钢结构，连接体的主要结构形式有普通桁架式、托梁式、吊梁式、空腹桁架式和悬臂式等多种方式。本工程考虑到连廊悬挑跨度大，连廊层数多，综合考虑采用钢桁架方案。

设计时有连廊两端的塔楼伸出较大刚度的两层高悬臂桁架，悬挑桁架外端采用两层高钢桁架与另塔楼连接，形成整体性能及受力性能良好的封闭桁架，由塔楼外伸的悬挑桁架上下弦伸入核心筒墙体，保证轴力的可靠传递，见图3。

图 3连体结构空间示意图

3 连体结构主要计算结果

（1）竖向荷载下的主要计算结果

HJ1（悬臂桁架）端点相对于塔楼框架柱的相对竖向变形约为24mm，边桁架HJ2跨中相对塔楼框架柱的相对竖向变形约为46mm。满足规范对构件挠度的要求。

（2）水平荷载下的主要计算结果

连廊连接南北两个高度不相同的塔楼，连廊除了承受较大的竖向荷载外，同时还起着连接两个塔楼，协调两个塔楼水平变形的作用，且由于高塔与低塔结构刚度，振动特性不同，连廊受力复杂。

将南、北两个塔楼及连体按实际结构整体建模，分析其结构动力特性，结果表明整体结构的前几阶主要振型并未出现两个塔楼反向运动的情况，也即说明连廊与两个塔楼在同向变形。

图4~图7给出连廊底层、顶层楼盖在竖向荷载和水平地震作用下的楼盖正应力分布结果。从计算结果可以看出，连廊楼板在恒载作用下局部应力较大，在地震作用下应力较小。宜采用局部楼板后浇的措施，以释放楼板在自重作用下的拉力。

图 4连廊底层楼盖在恒载作用下的X向正应力分布图（MPa）

图 5 连廊底层楼盖在恒载作用下的Y向正应力分布图（MPa）

Figure 7 Stress on the Y direction of the bottom of the connecting floor under the dead load（MPa）

图 6 连廊底层楼盖在X向地震作用下的X向正应力分布图（MPa）

Figure 8 Stress on the X direction of the bottom of the connecting floor under seismic action（MPa）

图 7 连廊底层楼盖在Y向地震作用下的X向正应力分布图（MPa）

5 结论

对于高位大悬挑大跨复杂连接结构，设计时应注意以下几点：

1、连体与塔楼间选择合适的连接方式是设计这类结构的重难点。应进行不同方案的比较分析，综合结构安全、建筑外观、使用围护、工程造价等多因素确定。

2、连接体多选用钢结构，可根据跨度、层数、荷载等合理确定。

3、应控制连体就结构的挠度、舒适度、构件的承载力满足规范要求，并留有一定裕度。对于强连接，尚应考虑连体楼盖在协调连体两端塔楼变形时的刚度及承载能力，当竖向荷载作用下楼盖应力较大时，可考虑局部释放措施。

参考文献

[1]建筑结构荷载规范：GB50009—2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012。

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