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高层建筑物间连廊结构设计分析

2021/01/15 阅读:

1概述

随着我国经济的蓬勃发展,社会化进程的不断推进,现代建筑的功能越来越复杂,特别是商业建筑,出现了各种综合体的高层建筑物。在这些建筑物之间,为了人流在各个单体间的公共性与可达性,大多设置了连廊作为辅助的竖向空间组织手段,并为安全疏散提供了便利条件。这些高层连体结构作为一种新型的高层建筑类型,拥有优美的建筑外观,塔楼之间的连接体(高空连廊)在立面效果上有着开阔的视野和独特的视觉感受,是建筑个性和建筑风格的重要体现,其建筑形式得到广泛的应用。因此结构设计人员,在遇到这类复杂高层多塔楼连体结构时,应采用合适的计算模型进行结构的整体分析,以满足结构的抗震性能目标。这是当前一个重要的课题。

2设计依据

复杂高层多塔连体结构,其结构体系的设置,应符合GB50011—2010建筑抗震设计规范(2016年修订版)第3.5.2条各条款的要求。其中连接体与主体结构的连接做法,在JGJ3—2010高层建筑混凝土结构设计技术规程第5.3.5条中,有着明确的要求。

3结构设计

3.1结构特点

复杂高层多塔连体结构,是通过各塔之间的连接体,将相同或不同结构形式的建筑物连接在一起,因此,这样一个连体结构,其受力分析,相比一般的多塔楼结构,更加复杂。在结构设计时,主要存在以下几方面的特点:1)多塔连体结构扭转效应显著。在各类复杂高层多塔连体结构中,即使是一个连体的对称双塔楼结构,在连接体处的楼板变形影响下,两个塔楼除存在同向的平动变形之外,还会产生两个塔楼的相向变形,这个振动的形态,是与双塔楼连体结构扭转的振型耦合在一起的。对多塔连体结构,因各塔楼体型的复杂性及不对称性,在承受风荷载或地震荷载作用时,结构除产生平动变形外,还会产生较大的扭转变形。各塔楼振动形态也将更加复杂,其扭转效应也会更加明显。2)风荷载环境复杂。复杂高层多塔连体结构,因为各塔楼的结构平面布置,各塔楼间的距离,各塔楼的平面角度等,对风荷载影响较大。设计时应考虑风力相互干扰的群体效应。必要时,宜通过风洞试验确定。3)连接体部分的受力复杂。在复杂高层多塔连体结构设计中,连接体部分受力复杂,是结构设计的关键部位。连接体部分如采用刚性连接,在重力荷载、风荷载、地震荷载的作用下,一方面要协调两侧结构的变形,另一方面当本身跨度较大,荷载较重时,除竖向荷载作用外,对竖向地震作用也较为敏感。处于拉、压、弯、剪、扭等多种应力状态下,受力复杂。因此,针对复杂高层多塔连体结构,应进行准确的结构分析及计算,采取合理的连接节点做法。

3.2连接方式

复杂高层多塔连体结构中,连接体与两侧塔楼的支座连接设计,是连体结构的关键问题。连接体与两侧建筑物的连接方式,可分为强连接和弱连接两种。如连接体跨度较小,也可采用两侧塔楼悬挑,中间按抗震缝宽度设置的方式。强连接方式:在结构设计时,当各个楼面均有连接体,其具有足够的刚度与强度,能将主体结构连成一体,且计算结果,满足整个结构的强度及变形协调的要求。这种形式的连接体,其受力状况,不仅要承受自身的恒活载,而且要连接协调两侧的塔楼,在水平及竖向荷载作用下的变形及振动所产生的作用效应。连接处的节点会承受较大的轴力,弯矩及剪力,结构计算和构造处理做法比较复杂。弱连接方式:如果连接体为单层,或者连接体本身的刚度较弱,就应该采用和两侧建筑物各自独立变形的滑动连接或柔性连接的形式。滑动连接可以是连接体一端与塔楼铰接,一端滑动连接,也可以两端均做成滑动支座。采用这种连接方式,连接体与主体结构均单独受力,且受力方式简单,明确。滑动连接时节点设计的原则是结构自身必须具有足够的强度,以保证在风荷载、多遇地震作用下的正常使用要求;连接体的支座必须有足够的滑移量,能够协调两侧塔楼在罕遇地震时产生的位移;在滑动支座设计时,需增加支座的限位功能,保证连接体不会从任意一端的主楼连接处滑落。柔性连接是在支座处设置橡胶垫或阻尼器,使得主体结构与连接体的层间位移接近。柔性连接允许在连接部位产生轴向的伸缩和折转,且在垂直轴向产生一定的位移量。因此可以根据受力情况,选用合适的连接刚度,以满足整体强度和变形的要求。下面通过工程实例,具体分析多塔楼连体结构,其高空连廊在结构计算方面的特点,以及连廊与主体结构的连接方式。

4工程实例

本工程地下2层,地上为5个9层~13层的主楼单体及1个裙房,5个主楼在总体平面布置上,表现为圆环形分布,高度42m~60m。各个主楼间,分别在第3层,5层,8层处用连廊连成整体,体现了一体化的动感外形。主要结构设计参数:设计使用年限:50年,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组第二组,场地类别为Ⅳ类(上海地区),特征周期0.9s。建筑抗震设防类别为标准设防类(丙类)。设计采用的基本风压为0.55kN/m2。基本雪压为0.20kN/m2。主楼采用装配整体式框架—现浇剪力墙结构。裙房三层,采用钢筋混凝土框架结构。基础为桩基筏板。

4.1连廊的整体计算

本工程两单体间连廊结构采用一端铰接一端滑动的弱连接的方式,连廊结构型式为钢结构,主要构件为变截面H型钢梁,楼板采用钢筋桁架楼承板。承受的荷载为永久荷载,可变荷载,包括楼面活荷载、风荷载、水平及竖向地震作用,温度作用等。按结构计算结果,选用合理的结构截面尺寸,整体计算指标符合国家及地方规范的要求。在跨度较大的连廊区域,其楼板进行了舒适度分析,每个钢连廊的自振频率均大于3Hz,竖向峰值加速度均小于0.15m/s2,结构的舒适度满足规范要求。

4.2连廊对主体结构的影响

将连廊传来的力,添加到相应主体结构的支承构件上,且牛腿上的偏心弯矩由牛腿后部的相应结构构件(梁、板)来平衡;设计文件中主体结构相应的框架柱、边梁、悬挑梁结构构件按关键构件设置,对于其内力,采取两种软件进行复核,考虑中震抗剪弹性,抗弯不屈服的计算要求。支撑牛腿在中震竖向地震作用下弹性计算,牛腿局部平面及做法示意图如图1,图2所示。牛腿的受力分析及计算书:连廊设计考虑在中震作用下受到竖向地震作用组合来计算连廊牛腿的尺寸,根据《高层混凝土结构技术规程》中荷载和地震作用组合的效应设计值的计算以及《建筑抗震设计规范》中正常使用的竖向地震作用计算可以得到最不利位置牛腿在考虑中震竖向地震作用下的竖向力如表1所示。计算可得牛腿所受竖向力(含中震下竖向地震)作用为1010kN,D+L为957kN,取二者较大值1010kN为竖向标准值力,得出牛腿为H400×300×50×50的钢牛腿,满足受力要求。

4.3连廊连接节点计算

本工程连廊结构采用一端铰接一端滑动的连接方式,滑动端在风荷载及正常使用下保持稳定,当滑动端在地震作用达到初始熔断力后,支座可以滑动,达到滑动目的,两侧支座均设置钢绞线等多道防脱落措施。典型的支座详图及受力参数如图3所示。搁置处牛腿支座的宽度:保证连廊正负向的自由滑动及最小支承宽度。铰支座不考虑滑移量。但为了便于安装,与主体间构造留缝。本工程连廊一端采用的带限位功能的钢支座,此支座具有初始摩擦力,支座上、下两部分为卡扣形式,且有限位功能,支座能承受水平力、竖向力、上拔力及扭矩。在风荷载、小震及正常使用情况下,支座在初始摩擦力作用下保持静止;在中震及大震作用下,当地震作用超过支座的初始摩擦力后,支座开始(双向)滑动,支座的最大滑移量满足连廊所在标高处两端主体结构大震下的弹塑性位移的要求,避免连廊在大震下与主体结构发生碰撞。当滑移达到弹塑性位移计算值时,支座的限位功能开始发挥作用,限制连接体的进一步滑动。对于连廊,当钢梁两端受扭或有拔力时,限位钢支座卡口可抗扭和抗拔。在现有设计基础上,构造增加钢绞线防脱落措施,确保极限状态下,连廊不至于脱落,如图4所示。

作者:徐蓉 单位:上海中船九院工程咨询有限公司

高层建筑物间连廊结构设计分析

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