高层建筑结构设计实例分析

高层建筑连体结构是近几十年发展起来的一种较为新型的结构形式，其结构设计也比一般的单体结构或多塔楼结构显得更为复杂。鲁班乐标结合某公寓式酒店连体结构设计实例，对连体结构的结构设计进行了研究，介绍了结构形式确定、连接方式选择、抗震受力特性、支座设计方法等。
1、工程概况
某商业办公用房项目由1号楼(公寓式酒店、商业)和2号楼(会展中心、公寓式办公)组成，地下1层～2层，地上7层～9层，总建筑面积92634㎡。公寓式酒店地下1层、地上9层，现浇剪力墙结构体系，剪力墙为主要抗侧力构件，标准层层高3.25m，地上建筑面积为23780㎡。公寓式酒店平面布置呈半个回字形，设置两条抗震缝将结构分为北楼、南楼、连接体3个单体。在8层、屋顶层处设置连体结构，连体结构平面呈直角梯形。
2、结构选型
公寓式酒店的连接体在第8层和屋顶层有连接，属于高规第10章的复杂高层建筑中的连体结构。连体结构与塔楼的连接方式可以分为强连接和弱连接，本工程连体结构如果采用强连接，在地震荷载作用下将受到很大的轴向力和弯矩，难以协同变形。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，存在最大弹性水平位移(或层间位移)大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍等超限情况，给抗震设计带来诸多不利。根据建筑要求仅在8层处要求有楼板连接，连接体层数仅占总层数的11%，跨度相对较大，因此优先考虑弱连接形式，考虑到自身重量和承载力性能的比值，连体结构确定为钢结构桁架加活动支座的弱连接形式结构体系。结构形式上类似于桥梁，一端采用固定铰接支座，连接体可绕铰接支座转动，另一端采用双向的滑动支座，来满足地震作用下的连接体部分的水平滑动作用。
3、设计分析
本结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，抗震设防类别为丙类。设计地震为第一组，场地类别为上海Ⅳ类场地，场地特征周期取0.9s，各振型阻尼比取0.05，主体结构采用SATWE进行结构整体分析，采用PM-SAP进行结构整体分析并进行校核。分析时考虑扭转耦联和双向地震效应，采用振型分解反应谱法和时程法计算结构响应，各振型贡献按照CQC组合。
结构动力特性(周期比验算)。按照各个单体分别计算其固有振动特性，验算其周期比，计算结果见表1。周期比计算结果满足规范要求。
位移比。验算位移比时，采用单体模型计算(计算模型中的各个单体的各个楼层，采用强制刚性楼板假定)，并按照各单体模型逐层加以验算。反应谱法结构地震响应位移计算结果如表2所示。计算结果满足规范要求。
反应谱法底部结构的剪力、弯矩和有效质量系数计算结果见表3。
计算结果满足规范要求。
振型数。振型数大于15，且使振型参与质量不小于总质量的90%。
楼板模型。各单体计算分析内力时，软弱层(或人为假定的软弱层)的楼板在计算模型中按照弹性板处理(采用壳单元)。其他区域的楼层考虑为刚性楼板。
4、支座设计
本工程连体结构的支座为固定铰接支座与双向滑动支座，设计过程中主要考虑支座的水平滑动量和竖向力的大小，支座型号则根据计算值确定。
抗震缝宽度。根据抗震设计的要求，滑移量(也就是相应节点的位移量)是要求在大震作用情况下取得的，且抗震缝的宽度(主要是与南侧单体双向滑动支座)要求考虑大震作用下南北单体相应节点滑移量的相互叠加作用。经分别计算得到南侧单体在大震作用下四个节点的X向与Y向的滑移量均为95mm，而北侧单体相应数值为X向为120mm，Y向为80mm。由于连体结构北侧为固定铰接支座，不产生实际滑动，位移量仅作为南侧抗震缝的叠加参考因子。计算得出北侧单体位移值为X向145mm，Y向95mm，南侧单体位移值为X向110mm，Y向115mm;按CQC方法对北侧单元节点位移进行组合得到最大节点位移为175mm，按照最不利情况南北单元位移叠加175+115=290mm，故南侧抗震缝的宽度取300mm。
支座竖向力。考虑重力荷载控制作用下，通过计算求得支座最大竖向力设计值为800kN。
支座钢限位。根据建筑平面布置，滑动位移量以Y向位移控制为主，在X向设限位可制另一方向的滑动。在最外侧两个钢牛腿的外侧上翼缘设置呈90°角的钢限位，一旦滑动支座限位失效且又产生地震作用的情况下，钢限位能够阻止钢梁产生过大的滑移变形，从而加强了结构的安全性能。
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