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1、连体构造传力机制分析连接体抗震设计摘要：连体构造往往因独特的建筑造型成为城市地标建筑，CCTV主楼、重庆来福士广场、苏州东方之门、武汉保利广场等都是典型的连体建筑。而每个连体构造受其连接方式和位置、塔楼动力特性及抗震设防烈度等因素影响，均有其本身的抗震设计思路。该文以某连体构造为例，对下面几个方面进行分析：1连接体连接方式的选择及影响因素；2基于振型模态的动力特性分析；3连体构造在X、Y方向的受力机制；4连接体性能水准的选择及构件设计；5通过非线性时程反响分析手段，识别连接体各杆件在罕遇水准的性能。结果发现：1连体构造连接方式需综合考虑设防烈度、连接位置、连接体的空间尺度和塔楼动力特性确定；2
2、连体构造需充分选取振型数；3刚性连接的连体构造在顺连接体方向受力类似门式刚架，两栋塔楼间建立较强的联络作用，在垂直连接体方向，两栋塔楼依靠楼板传递剪力，构成较弱的连接；4连接体受力类似小跨高比连梁承受宏大的弯矩和剪力，上弦杆、下弦杆、楼板及面内斜撑共同承当弯矩，腹杆则承当剪力；5连接体的设计应考虑施工次序、收缩徐变、基础沉降差异的影响，构件的设计尤其应关注上、下弦杆和斜腹杆的正截面设计；6该项目连接体在罕遇地震作用下仅个别斜腹杆进入塑性状态，因而该连体构造的整体设计思路明晰，能够到达构件确定的性能目的。关键词：非对称刚性连体构造；传力机制；性能识别；抗震设计0引言连体建筑往往由于其独特的建筑造
3、型成为城市中的地标建筑。连体可解决高层建筑中两个独立高层塔楼间的交通问题。在有些高层建筑中连体不仅作为两个塔楼的交通联络，还具备一定的建筑功能。近年来中国涌现了几座优秀的连体建筑，如北京CCTV主楼1、重庆来福士广场、苏州东方之门、武汉保利广场2等。受塔楼刚度、质量、连接方式和位置以及连接体高宽比等多种因素的影响，每个连体构造均有其本身的抗震设计思路。在连体构造中，连接楼层是建筑形体、功能的亮点区域，同时也是构造设计中关键的一环。明晰认识到连接体对构造地震响应的影响，评估连接体各构件的奉献大小，进而确定其性能目的是连体构造抗震设计的关键点之一。某项目为非对称高位刚性连接的框架核心筒构造，建筑效
4、果如图1所示。本文以连接体的设计思路和设计要点为立足点，尝试从刚度和承载力方面复原完好的抗震设计经过，以期为类似案例提供参考。1项目大概情况该项目为昆明市某超高层建筑，是集多功能为一体的高密度大型TOD综合体项目，由两栋互相连接的塔楼和裙房组成。设防烈度为8度0.2g，设计地震分组为第三组，场地类别类，构造安全等级二级。T1塔高塔为框架核心筒构造，构造高度为195.15m，高宽比为4.13；T2塔低塔为框架核心筒构造核心筒偏置，构造高度为138.15m，高宽比为5.90。标准层平面图如图2所示。框柱自底部1500mm*1500mm渐变至1000mm*1000mm，剪力墙自底部1200mm渐变至
5、顶层600mm。框架梁的典型截面为500*1000/900mm。竖向构件混凝土C60-C40，梁板混凝土强度为C40。该项目采用了消能减震措施，共采用了136套屈曲约束支撑、8个悬臂式阻尼桁架及168套粘滞阻尼器以减小地震力。文中意在讲明连体构造本身的响应规律，故均采用非减震构造的分析结果。连接体通过3层4个楼面刚性连接。连接体跨高比为1.5，由3榀主桁架和1榀次桁架以及顶层和底层的楼板面内支撑组成主传力体系。连体还存在最大悬挑长度为9.8m的附属构造。连体为钢构造，采用Q390钢材。连体平面布置图、立面图及剖面图如图3图5所示。主桁架上下弦杆均为箱型截面，截面为700mmx700mmx40m
6、m或700mmx700mmx30mm。斜腹杆为H型钢，截面为700mmx500mmx30mmx40mm。2连接方式该构造选用两栋塔楼强联络的刚接方法。它不仅承当了竖向荷载，还协调了两个塔楼在水平作用下的变形3。因而，连体最大程度提高构造刚度和冗余度，降低了构造处理难度。若采用通常的柔性连接，则支座需要复杂的构造处理，并且两栋塔楼显著的动力特性差异及高烈度影响因素使得滑动支座的行程难以知足。经与该项目的超限审查专家充分沟通，并结合实际情况，最终确定了刚性连接方案。3动力特性连体构造振型丰富、平扭偶联加大。宏观理解构造振型有利于构造抗震概念设计。PKPM和ETABS计算的前6阶模态如表1、表2所示
7、。ETABS计算的单塔的模态如表3、表4所示。PKPM与ETABS结果反映了构造动力特性的一致性。T1塔因高度更高，比T2塔周期更长、刚度更柔。T2塔通过优化构件截面、设置防屈曲约束支撑的方式，最大程度减小了核心筒偏置造成扭转过大的影响，其扭转周期比为0.69。高宽比是影响构造周期的主因4，故T1塔与T2塔无法表现出一致的周期，进而构成刚度大的低塔帮助高塔的“帮扶机制，这种帮扶机制使得连接体承受了宏大的弯矩和面内剪力。得益于单塔动力特性的优化，连体前三阶周期几近解耦且各质量介入系数较高，前30个振型的质量介入系数便超过90%。自4阶振型开场，连体构造平扭偶联加大。如图6所示，连体构造X方向刚心
8、、质心较大偏差是造成构造扭转效应的主因。构造的水平变形由3部分组成：第一振型下X方向平动效应1、扭转偶联产生的水平分量效应2、附加5%偏心距产生的水平分量效应3。4水平地震作用下的传力机制4.1Y方向地震作用下的传力机制该构造在Y方向类似巨型门式刚架的受力机制。采用如图7所示力学模型，讲明其受力特点：F1、F2产生的倾覆力矩为各构件承受弯矩的总和。令i3=，考察两杆轴力构成的力矩占倾覆力矩的比例，得到下式：随着i3逐步增大，受EF杆、BC杆刚度限制，与构造内力趋于稳定。当i3=时，EF杆与BC杆根据本身线刚度承当剪力，二者弯矩图类似，反弯点位于两杆各自的几何中点；BE杆的拉压由两杆线刚度的相对
9、强弱决定。据以上推导可知，B塔Y方向倾覆力矩由两部分组成：第一部分为反映两栋塔楼抗侧刚度的各构件弯矩的总和，第二部分为反映连接体连接强弱程度的拉压轴力产生的倾覆力矩，且第二部分占比存在上限。施加规定水平力，并将连接体广泛地视为一根水平梁，得到B塔随连体刚度的变化，如图8所示。连接体的在18%处出现快速增长的拐点。总的来讲，连接体受力类似小跨高比连梁，承受了宏大的弯矩和剪力。而连接体的顶层和底面的水平杆承受了弯矩，连接体腹杆承受了剪力。通过后文的内力计算，发现连接体腹杆内力大，性能控制较弦杆和面内斜撑困难。在Y向地震作用下，表现为T2塔帮扶T1塔。4.2X方向地震作用下的传力机制在X方向，两栋塔
10、楼依靠楼板建立了弱联络作用，两栋塔楼受力类似悬臂杆。构造产生的总效应由效应1、2及3叠加组成图6。ETABS截面切割得到高塔通过楼面向低塔传递水平剪力，约6100kN。由细分各楼层承当的水平力可知，连接体的底层与顶层承当剪力较中间楼层略大。结合构造在Y方向水平地震作用下，连接体顶层与底层楼板作为翼缘因抵抗弯矩也会产生较大面内应力，因而连体顶层楼板较底层愈加不利。综合考虑后，连接体顶层与底层楼板厚度为150mm，并设置面内型钢支撑，以缓解楼板应力并作为二道防线。5连接体的性能设计5.1计算条件的几点考虑施工模拟会对构造自重作用下构造的内力产生影响。经与施工单位充分沟通，拟采用整体提升方式，且在两
11、栋塔楼封顶后提升，施工加载步骤采用与实际施工次序一致的计算结果。收缩徐变是混凝土材料的长期变形特点。连接体考虑徐变的长期绝对竖向变形为短期弹性变形的2.3倍左右。连体合拢后，后期荷载产生的竖向位移差约10mm。这种差异位移对连体杆件内力影响较小。竖向地震作用对连体构造内力产生影响。对于整体构造而言，竖向地震对非悬挑及常规跨度的构造影响较小。而对于大跨连体构造的杆件而言，竖向地震下杆件轴力是重力荷载代表值下轴力的20%30%左右，因而该项目竖向地震不容忽视，所以内力组合时竖向地震工况的标准内力采用三向地面运动输入的弹性时程分析结果。5.2设防水准下连接体性能识别该项目连体设定的性能目的如表5所示
12、。桁架A及连接体顶层面内斜撑在设防水准下的应力比方图9、图10所示。内力取考虑楼板刚度和不考虑楼板刚度的包络。杆件根据双偏压构件计算强度及稳定性。括号中所示为设防水准下的正应力比与剪应力比。桁架腹杆轴力普遍大于弦杆。但各构件的剪力均很少，在设防烈震下可很容易知足剪切弹性。5.3罕遇水准下连接体性能识别表6所示为对应杆件的等效中震、罕遇水准下弹塑性时程的控制内力。由此可见，设防水准下构件内力与罕遇水准下弹塑性时程得到的构件内力差异没有想象中大。其原因可能是，罕遇水准下较多构件进入塑性状态导致构造刚度下降。经过逐一杆件复核，在罕遇水准下发生塑性行为的构件数量较少。在楼板损伤不大的情况下，各杆件剪切
13、保持弹性，少数腹杆正截面进入塑性状态。6结论1连体构造连接方式的选用需综合考虑设防烈度、连接位置、连接体的空间尺度和塔楼动力特性。2连体构造需充分选取振型数。塔楼间建立强连接后单塔扭转振型遭到抑制，单塔的平动相位差构成了连体构造的扭转效应。3刚性连接的连体构造在顺连接体方向受力类似门式刚架，两栋塔楼间建立较强的联络作用；在垂直连接体方向，两栋塔楼依靠楼板传递剪力，构成较弱的连接。4连接体受力类似小跨高比连梁，承受宏大的弯矩和剪力。上弦杆、下弦杆、楼板及面内斜撑共同承当了弯矩，腹杆则承当了剪力。5连接体的设计应考虑施工次序、收缩徐变、基础沉降差异的影响。构件的设计尤其关注上、下弦杆和斜腹杆的正截面设计，而杆件的剪力水平经常较小。6通过分析罕遇水准下非线性时程结果，发现连体个别斜腹杆进入塑性状态，其余构件均在弹性状态，因而该构造连体的整体设计思路明晰，能够到达构件确定的性能目的。