高层办公建筑型钢砼结构设计

摘 要：某项目由两个塔楼以及大跨连廊的高层连体结构,其两栋楼的结构不一样,所用材料也不一样,连接采用刚性连接,这给结构设计提出了挑战.本文根据工程实例,对于其连体结构的抗震措施以及受力性能进行分析.

关 键 词：高层建筑；连体结构；受力分析

1.工程概况

工程项目为两栋高层办公建筑,地下一层,地上16层,工程设置了2条抗震缝,将本工程分为两个塔楼和一个高层连体结构,本文仅对高层连体结构进行分析.连体结构左端塔楼1层层高5.5m,2～3层层高4.5m,4层以上层高均为3.6m.连体结构右端塔楼1层层高5.0m,2～3层层高4.2m,4层以上层高均为3.5m.在标高40.9m～59.9m处通过连接体形成连体结构,设计为3层楼面和一层屋面,层高分别为7.2m、7.3m、4.5m.连接体两端与塔楼刚性连接,采用型钢梁加压型钢板混凝土组合楼盖,跨度为23.7m.

2.主要设计参数

本工程设计使用年限为50年,安全等级为二级,建筑抗震设防列别为丙类,地基基础设计等级为甲级.抗震设防烈度为6度（0.05g）,设计地震分组为第一组.地震影响系数按《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）采用,水平地震影响系数最大值为αmax等于0.04,建筑场地土类别为Ⅲ类,特征周期Tg等于0.45,周期折减系数取0.75,结构阻尼比为0.05,仅对连接体钢结构部分计算时,结构阻尼比取0.04.框架、剪力墙抗震等级为,连接体及与连接体相邻的结构构件抗震等级为二级.根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006年版）,基本风压为Wo等于0.35kN/m2,体型系数为1.3,地面粗糙度按C类考虑.

3、结构布置及采取的抗震技术措施

本工程建筑平面较狭长,根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）（以下简称高规）规定：连体结构各独立部分宜有相同或相近的体型、平面和刚度.通过合理设置2道抗震缝,使连体结构两边的塔楼采用基本一致的体型、平面和刚度,可以在一定程度上减小复杂的耦联振动,对抗震有利.

连接体两端塔楼采用框架-剪力墙结构,与连接体相连的框架柱采用型钢混凝土柱,连接体采用焊接H型钢梁,钢梁上通过栓钉连接压型钢板,再浇筑混凝土.连接体钢梁与两端塔楼型钢混凝土柱采用刚性连接,钢结构次梁与主梁铰接.连接体每层均相同处理,结构平面布置见图1.

根据《高规》规定：连接体结构可设置钢梁、钢桁架和型钢混凝土梁,型钢应伸入主题结构并加强锚固.本项目连接体两端塔楼的型钢混凝土柱均往下延伸一层,连接体钢梁连续伸入两端塔楼内,即与钢梁相邻的梁采用型钢混凝土梁.连接体钢梁H型钢尺寸为1500X600X20X50,与之相连的型钢混凝土梁为500X800,型钢尺寸为H450×200×10×20.连接体每层两端均设置型钢混凝土梁.

由于连体结构总体为一开口薄壁构件,扭转性能较差,连接体及与连接体相连的结构构件受力复杂,易形成薄弱部位,必须予以加强.根据《高规》：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采用,一级提高至特一级.两端塔楼框架和剪力墙抗震等级为,连接体及其相邻结构构件抗震等级为二级.与连接体钢梁相连的型钢混凝土柱截面尺寸为800X900,型钢尺寸为H500×600×20×25,柱配筋率为1.4%.根据《高规》：连接体结构应加强构造措施,连体结构的边梁截面宜加大,楼板厚度不宜小于150mm,宜采用双层双向钢筋网,每层每方向钢筋网的配筋率不宜小于0.25%.连接体每层楼板采用压型钢板混凝土组合楼盖,混凝土板最薄处为100mm,最厚处为175mm.连体位置两端塔楼采用150mm厚钢筋混凝土楼板,见连体部分楼板加强区域示意图2.加强区域范围内钢筋全部拉通,使连接体部分更能有效抵抗板内可能出现的拉应力.

4.多遇地震下结构计算结果

本工程主体结构采用SATWE（2010年版本）和PM-SAP（2010年版本）两种计算程序进行结构整体分析.

1）周期及剪重比.分析时采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法进行计算.分别计算其固有振动特性,振动周期计算结果见表1.振型数取为30,振型参与质量大于总质量的90%,满足高规要求.SATWE软件计算本工程总质量为294623kN,第3振型为两塔楼自身相对平动引起的扭转,周期比为T3/T1等于0.779<0.85；X方向地震作用下,左塔和右塔的基底剪力分别为2103kN、2409kN,剪重比为1.49%、1.57%；Y方向地震作用下,左塔和右塔的基底剪力分别为2339kN、2520kN,剪重比为1.66%、1.64%.

PM-SAP计算结果总体上与SATWE结果很接近.PM-SAP计算的结构总质量为288354kN.计算振型数为30,振型参与质量大于总质量的90%,满足高规要求.取扭转质量参与系数大于50%的第3周期作为结构扭转为主的第1自振周期,周期比T3/T1等于0.737<0.85.X方向地震作用下,左塔和右塔的基底剪力分别为2023kN、2505kN,剪重比分别为1.45%、1.69%；Y方向地震作用下,左塔和右塔的基底总剪力为2420kN、2584kN,剪重比为1.73%、1.74%.

2）水平位移及层间位移角.《高规》规定：在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.4倍；按弹性方法计算的高度不大于150米的高层框架-剪力墙结构的楼层层间最大位移与层高之比不宜大于1/800.

本工程验算位移比时,考虑双向地震作用,采用整体模型计算（计算模型中的各个楼层,采用强制刚性楼板检测定）.SATWE模型在X、Y方向双向地震作用下的楼层最大位移分别为29.13mm、30.48mm,PM-SAP模型在X、Y方向双向地震作用下的楼层最大位移分别为26.15mm、26.79mm,结构地震响应位移计算结果见表2,两种软件计算结果均满足规范要求.