转载自建筑结构《徐州生物医药产业园某双塔高层连体结构设计》作者：艾慧君、赵建忠、朱训彦、李新宇
[摘要] 徐州生物医药产业园5号孵化中心总高度59.8m，两座塔楼采用框架剪力墙结构体系，顶部通过两道连廊连接。建筑地上12层，地下2层，为超高层建筑。两道高层连廊跨度33.6m，总宽20.5m，高9.15m，采用钢桁架结构，弦杆采用H型钢，腹杆采用方钢管，连廊与两侧塔楼刚性连接。采用抗震性能化设计方法，对主体结构进行小震弹性计算、中、大震性能校核、大震弹塑性时程分析，并对高层连廊钢结构进行针对性分析。 由于11层及屋顶通廊位置楼板有效宽度变小，因此对楼板进行了专项受力性能分析。最后根据结构各阶段性能分析结果，对薄弱部位采取针对性的加固措施，确保结构在满足建筑使用功能、经济合理的同时，具有良好的抗震性能。
［关键词］ 连体结构；基于抗震性能化设计；弹塑性时程分析；楼板应力性能分析
1 项目概况
徐州生物医药产业园项目位于徐州市经济开发区（鼓楼区），东临徐洪河、南临井大沟、西临徐嘉高速、北临陇海铁路。用地性质为商业、办公、酒店。项目建筑效果图如图1所示。单体建筑5#孵化中心总建筑面积53896m2，由两座基本相同的塔楼组成，顶部通过两座连廊连接。建筑总高度59.8m，屋顶高度54.8m，塔楼地上12层，地下2层。首层高度5.3m，标准层高度4.5m。从11层至屋顶设置连廊结构。经过比较分析，连廊与两侧塔楼最终采用刚接方案。 两座塔楼间设有1层裙房，裙房与塔楼间未设抗震缝。5#孵化中心建筑立面如图2所示。
2 结构布置及设计参数
结构设计基准期、设计使用年限均为50年，建筑结构安全等级为2级，抗震类别为标准设防类别（丙类）。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[1]（简称《建筑抗震设计规范》），本项目抗震设防烈度为7度
图1 徐州生物医药产业园项目建筑效果图
图2 5#孵化中心大楼立面图
图3 结构计算模型
图4 5.300m高程结构平面图
图5 标准平面图
（0.10g，第三组），场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45s，大震分析时特征周期增加0.05s。
2.1 结构布局
塔楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，剪力墙与框架构成双重抗侧力体系。结构设有高层通廊，为复杂高层结构，剪力墙主要集中在各塔中部核心筒位置。根据抗震审查专家组意见，塔楼框架、剪力墙抗震设防等级均取2级。根据《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ 3-2010）[2]（简称高规）的要求，从基础顶部开始在结构全高范围内，与连接件（通廊）连接的框架梁抗震设防等级提高为1级，与连接件（通廊）连接的框架柱抗震设防等级提高为1级。钢结构通廊抗震设防等级为2级。
建筑平面呈矩形，单塔平面尺寸为67.2m×25.2m，单塔高宽比为2.2，连廊跨度为33.6m，高度为9.15m，跨高比为3.7。结构计算模型预埋端设置在地下室顶板上。结构计算模型见图3，5.300m标高结构平面图见图4，标准层结构平面图见图5。
塔楼主要构件尺寸：与通廊连接的框架柱截面尺寸为1 000×1 000，其他区域框架柱截面尺寸为850×850；核心筒外壁厚度为400mm，内壁厚度为250mm。另外，为调整结构的扭转刚度，在塔楼边缘设置4面壁厚为450mm的剪力墙；竖向构件混凝土强度等级自下而上为C50~C40；与通廊连接的框架梁截面尺寸为800×850。 此外，塔楼四周边框架梁断面尺寸为450×800，X方向内框架梁断面尺寸为400×650，Y方向内框架梁断面尺寸为350×650；地下室顶板厚180mm，2层现浇混凝土楼板厚150mm，3-10层组合楼板采用60mm预制板+80mm后浇混凝土覆盖层，11层至屋面现浇混凝土楼板厚150mm。
走廊构造及与走廊相连的钢-混凝土构件布置如图6～图8所示，钢构件截面尺寸见表1，钢材强度等级为Q345B。走廊弦杆、腹杆按中震弹性设计。
图6 连廊结构示意图
图7 连廊结构布置
图8 连接走廊的钢-混凝土构件布置
2.2 风荷载设计参数
本工程50年一遇基本风压为0.35kPa，地面粗糙度类别为B级。承载力计算时基本风压为50年一遇基本风压的1.1倍；位移校核时基本风压取50年一遇基本风压。结构计算采用材料阻尼模型，钢材阻尼比为0.02，混凝土阻尼比为0.05。
2.3 地震作用设计参数
地震作用的设计参数值如表2所示。
3 基本设计
根据地质勘察报告[3]及工程实际情况，5#孵化中心高层塔楼区采用框架柱下桩基础，剪力墙下桩筏基础。桩身为800钻孔灌注桩，以⑧-2层中风化泥砂岩为桩端持力层，有效桩长10m，估算单桩抗压承载力特征值Ra=3 100kN。5#孵化中心裙楼区采用天然基础柱下筏板基础，筏板厚度600mm。基础混凝土强度等级为C35。地基设计安全等级为Ⅱ级，地基及桩基础设计等级均为甲级。
4 结构超限确定和绩效目标
4.1 结构超载的确定
结构高度为54.8m，未超过高标准7度区甲级钢筋混凝土高层框架剪力墙结构最大适用高度120m，不属于超高结构。一般规律性判断包括：刚度突变；构件不连续（节点结构）；结构底层存在个别穿层柱。无特殊不规则项。因此，本项目属于超高高层建筑项目。
4.2 绩效目标
综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构特殊性、建设造价、震后损失及修复难度等因素，将结构性能目标设定为C～D。根据结构构件重要性的不同，确定结构构件具体的抗震设计目标，见表3。
5 结构性能目标分析与验证
5.1 小地震的弹性计算
采用ETABS与YJK软件对弹性模型进行对比分析，两种软件的总体指标汇总如表4所示。
计算结果表明：两种软件主要指标计算结果相似，结构一、二阶振型分别为Y方向和X方向平动，三阶振型为扭转，X、Y方向振动参与质量均满足规范要求大于总质量的90%；一阶扭转周期与一阶平动周期比为0.83，满足高层建筑规范不大于0.85的限值要求；水平力作用下层间位移角最大值小于规范限值，满足性能目标和规范要求；X、Y方向剪重比满足国家超限审查点要求，设计时根据抗震规范对地震内力进行调整；结构刚重比均大于2.7，满足规范要求，且不需要考虑重力二阶效应的影响。 楼面最大扭转位移比为1.15，不大于高层规范中甲级高度建筑要求的1.2的限值。楼面剪切承载力与上部楼层剪切承载力之比的最小值不小于规范限值0.8，满足高层规范要求。最小层刚度比严格按照高度规范和抗震规范控制，若不满足要求，则判断为抗侧刚度超限，设计时应采取相应措施。
5.2 小震弹性时程补充分析
根据高层建筑规范要求，本工程采用YJK进行小震弹性时程分析补充计算。时程分析综合考虑场地类别、谱特征、有效峰值、持续时间、统计特征、震源机制及工程判断，选取5个天然波和2个人工波。地震波有效持续时间大于结构基本自振周期的5倍，主分量峰值加速度Amax按高层建筑规范调整为35cm/s2。
计算结果表明：1）各波作用下底部剪力值均大于模态分解反应谱法的65%，且7个地震波时程分析得到的底部剪力平均值大于模态分解反应谱法的80%，满足规范要求，地震波的选择合适。2）按小震设计时，地震作用下的楼层剪力取时程分析法平均值与模态分解反应谱法计算值中的较大值；在结构顶部8～12层，时程分析法计算出的楼层剪力较大，当采用模态分解反应谱法进行小震弹性设计时，这些楼层的地震剪力需放大约1.05～1.17倍。
5.3 中、大地震效应验证
按照表3结构主要构件的抗震性能目标，采用YJK软件基于等效线性化方法进行中、大震条件下的验证，结果表明墙体、框架柱及走廊相关构件均能满足相应的抗震性能目标要求。
另外对底部墙肢在中震作用下的拉应力进行了校核，结果表明：中震作用下墙肢混凝土拉应力小于2ftk（ftk为混凝土轴向抗拉强度标准值），大部分墙肢处于受压状态，部分墙肢平均拉应力超过1.0ftk，因此在这些墙肢中增设型钢承受拉力。
5.4 强震弹塑性时程分析
针对本工程特点，采用弹塑性时程分析方法来考察结构在大地震作用下进入塑性阶段后的具体力学性能[4-5]。弹塑性时程分析采用PKPM-SAUSAGE软件，动力求解方法采用显式算法，阻尼模型采用拟模态阻尼系统。
根据场地大震下频谱特性要求，选取2组天然波和1组人工波，主方向地震波有效峰值为220cm/s2，X、Y、Z方向输入峰值加速度比为1:0.85:0.65。大震下结构动力弹塑性时程分析结果表明：
（1）利用PKPM-SAUSAGE软件计算结构一阶周期为1.88s，主要为沿Y方向的平移运动；二阶周期为1.59s，主要为沿X方向的平移运动；一阶扭转周期为1.58s，一阶扭转周期与一阶平移周期之比为0.840，满足高速规范规定的极限要求。
(2) 在大地震作用下，各组地震波作用下X方向层间最大位移角为1/195，Y方向层间最大位移角为1/129，均满足高层建筑规范要求的限值（1/100）。
(3)图9对比了典型天然波作用下弹塑性模型与弹性模型结构顶点的位移时程曲线。结果表明：弹塑性模型结构周期约为弹性模型的1.2倍，表明结构刚度退化为初始刚度的69%，结构损伤程度中等。结构顶点不可恢复残余变形较小，在0.1m以内，顶点不可恢复位移角小于1/1000。
(4) 弹塑性模型与弹性模型的底部剪力比变化范围为0.52~0.86，X方向平均底部剪力比为0.76，Y方向平均底部剪力比为0.57。可以看出，由于结构损伤，刚度适度退化钢结构桁架施工图，底部剪力响应减小。
(5)图10为典型天然波作用下弹塑性模型与弹性模型的楼面剪力对比曲线，可见结构发生了损伤，刚度退化，楼面剪力分布得到改善。
(6)连梁作为结构抗震的第一道防线，在地震作用下很快进入破坏阶段，并在整个地震过程中保持耗能功能。连梁破坏严重，损伤明显，达到了耗能的设计意图。在施工图设计阶段，对连梁采取设置斜交叉钢筋等措施，提高其延性。连梁的屈服耗能对墙柱起到了有效的保护作用，使墙柱受到轻微至轻度破坏。楼面梁虽然受到中度至重度破坏，但结构完整性仍然保持良好。图11为墙体性能等级，图12为柱性能等级。
6 走廊性能分析
6.1 走廊结构性能分析
连廊构件承载力计算设计不考虑连廊混凝土楼板对其承载力的贡献，但在竖向变形及舒适度计算中考虑连廊混凝土楼板的刚度贡献。弦杆、腹杆按中震弹性设计。钢结构计算设计采用MIDASGen软件，连廊局部模型如图13所示。
经过计算，MIDAS Gen模型的结构模态与YJK模型基本一致。走廊的计算结果表明：1）1.0恒载+
图 13 MIDAS Gen 模型中的走廊
1.0 活载条件下桁架弦杆竖向相对变形为1/1158＜1/400，考虑预拱后钢梁竖向相对变形可小于1/400［6］，满足要求；2）基本荷载组合和小地震作用组合下，钢构件最大应力比分别为0.75、0.42，满足要求；3）中地震作用组合下，腹杆最大应力比为0.56，弦杆最大应力比为0.34，满足弹性要求，应力比云图如图14所示。
图14 中等地震作用组合下桁架应力比
对连廊进行竖向模态分析，竖向一阶振动频率f=3.3Hz，即16.8m跨度楼盖体系的竖向振动。采用稳态分析法计算不同行人激励频率下楼盖体系的动态响应，考虑跨中位置施加两人体重，荷载值为2×0.7kN。行人落脚频率大致在1~2.8Hz之间。稳态分析中仅考虑刚度比例阻尼，取值为0.03。参考高层建筑规范的规定，当结构竖向自振频率小于3.3Hz时，室外钢楼梯的加速度限值为0.17m/s2。经计算，不同行人荷载频率下结构的最大加速度响应约为0.02m/s2（图15），可以满足设计要求。
6.2 通廊楼面结构性能分析
通廊结构在承受和传递竖向力的同时，将水平力传递和分配到两侧抗侧力竖向构件，协调同一层竖向构件的变形。为保证水平力传递和内力调节的可靠性，在小震标准组合下，通廊层中面主拉应力不得大于混凝土抗拉强度标准值；在中震非屈服组合下，钢筋应力不得大于屈服强度[7]。
分析结果表明：连接区楼板需采取相应加固措施。过道楼板及其相关楼板混凝土采用C35强度等级，板厚增加至150mm，采用双层双向配筋，单层单向配筋率不宜小于0.3%。对过道楼板Y方向配筋进一步加强，Y方向双层配筋中各层配筋率不宜小于0.5%。
根据建筑结构规范第10.2.24条规定，连接体处楼板应满足抗剪截面要求及抗剪承载力验算。通廊楼板厚度150mm，混凝土强度等级为C35、fc=16.7MPa，钢材等级为HRB400，Y方向单层配筋率为0.5%，fy=360MPa，计算得Y方向楼板截面控制抗剪承载力Vfu=11494kN。将与塔楼连接的通廊楼板在最不利小震组合下的各单元抗剪设计值相加，得通廊楼板全宽度的抗剪设计值为2500kN。考虑增大系数1.5，得抗剪设计值Vfmax=3750kN＜Vfu，满足规范要求。 走廊下弦平面楼板剪切云图如图16所示。
图16 最不利小震组合下走廊下弦面剪力云图（kN/m）
在重力场作用下，该通廊楼面混凝土应处于非开裂状态，经计算，附加恒载+活载作用下楼面主拉力值约为220kN/m，每米宽楼面混凝土抗拉承载力=2.2MPa×150mm=330kN/m＞220kN/m，说明该通廊楼面混凝土在重力场作用下处于非开裂状态。活载作用下该通廊下弦平面楼面主拉力云图如图17所示，其中最大主拉力约为140kN/m。
图17 活载作用下通廊下弦楼板主拉力云图（kN/m）
7 结构加固措施
针对结构超限情况，根据小震、中震、大震弹性分析结果及大震弹塑性分析发现的薄弱环节，结构设计主要考虑以下加固措施：
(1) 剪力墙底部加固区及底部加固区对应楼层的框架柱，在正截面中震时应按非屈服设计，在倾斜截面中震时应按弹性设计。
(2) 与走廊弦杆连接的框架柱在中震时按弹性设计；与走廊弦杆连接的框架梁在中震时按非屈服设计。
(3) 穿层柱计算长度系数取2.0。
（4）中、双向地震作用下剪力墙混凝土拉应力控制不大于2ftk，型钢截面按实际设计要求配置。
(5) 对于刚度突变的软弱层，地震剪力按1.25倍放大来设计构件的承载力。
(6) 在小震弹性时程分析基础上，为考虑结构上部产生的鞭状效应，对采用模态分解反应谱法计算的8～12层剪力进行放大，进行构件承载力包络设计。
（7）与连廊连接的结构构件，在连接高度范围内及以下一层钢结构桁架施工图，抗震水平应为一级（比二级高一级），连接体钢构件的抗震水平应为二级（比三级高一级）。
（8）与通廊连接的框架柱，在连接件及下一层高度范围内，采用钢筋混凝土柱，箍筋在整个柱截面上布置较密，轴压比限值较其他楼层框架柱限值降低0.05；与通廊连接的框架梁采用钢筋混凝土梁。
(9) 对于塔内与裙房连接的外柱，在预埋端至裙房顶首层高度范围内，适当增大柱纵向钢筋的最小配筋率，在裙房顶首层整个高度范围内，柱箍筋配置较密。
(10)连栋楼板、退台楼板及以上楼板的楼板厚度不应小于150mm，并应采用双层双向钢筋网，各层各方向配筋率不应小于0.3%。通廊处楼板Y方向配筋应进一步加强，双层Y方向配筋中各层配筋率不应小于0.5%。对结构楼板提出如下性能目标：在单一小震作用下混凝土不开裂，在中震组合作用下钢筋不屈服。
(11) 走廊的弦杆和腹杆按中度地震时的弹性设计。
（12）结构构件承载力设计采用有通廊结构模型和无通廊结构模型（通廊荷载反算至两侧塔楼）两种模型。综上所述，本工程抗震性能良好。在施工图设计中将落实上述加固措施，确保结构达到预定的抗震性能目标。
8 结论
本项目为超高限高层建筑，整体结构采用YJK、ETABS两种计算软件进行小震计算，采用抗震性能化设计方法验证主体结构在中震、大震下的性能，采用PKPMSAUSAGE进行大震下的弹塑性时程分析。对于建筑顶部刚接连廊，对其钢桁架及楼板进行了重点分析，确保其在地震作用下具有良好的性能。
参考
［1］ 建筑抗震设计规范：GB 50011—2010［S］。北京：中国建筑工业出版社，2010。
［2］ 高层建筑混凝土结构技术规范：JGJ 3—2010［S］。北京：中国建筑工业出版社，2011。
［3］ 徐州经济技术开发区生命医疗科技服务平台核心区建设项目岩土工程勘察报告（勘察编号：KC2018034）［Ｒ］。徐州：徐州中国矿业大学岩土工程新技术开发有限公司，2018。
［4］ 陆江龙，杨鲁磊，龚敏峰，等. 太原国海广场主楼罕遇地震作用下弹塑性时程分析［J］. 建筑结构，2014，44(21) ：42-46。
［5］ 张进, 段小二, 杨鲁蕾, 等. 动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用［J］. 建筑结构, 2016, 46(20) : 1-9。
［6］ 钢结构设计标准：GB 50017—2017［S］。北京：中国建筑工业出版社，2017。
［fu Xueyi，Yu Weijiang，Zhang Yu等。
