［摘要］ 普陀龙湾项目1号塔19层与2号塔18层相连，形成连体结构。两塔高度不同，为不对称双塔连体结构。主体采用框架剪力墙结构，连体部分采用钢空心桁架。介绍了该项目的工程概况、结构的总体设计指标、连体结构的设计要点，并对多种方案的计算结果进行了分析比较。结构设计融入了抗震性能的设计理念，对连体部分的舒适度和构件的受力进行了详细的分析。在罕见地震作用下，对结构进行弹塑性动力时程分析。分析结果表明，结构主要抗侧力构件满足中震不屈服（关键构件在中震下仍保持弹性）的抗震性能指标，结构各项指标均满足规范要求。
[关键词] 连体高层建筑；舒适度分析；基于抗震性能的设计；动态弹塑性分析
1 项目概况
普陀龙湾项目1号塔地上19层，建筑高度75.7m。塔北侧裙房共4层，裙房高度21m； 2号塔地上24层，建筑高度98.5m。从建筑效果图（图1）来看，1号塔19层与2号塔18层相连，形成连体结构，建筑连体部分作为酒店客房。
本工程结构设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级；抗震设防类别为C类，抗震设防烈度为6度（0。05g）；设计地震组别为一级，场地类别为二类。特征周期为0。45s（安全评估报告数据）；基本风压0. 35kN/m2（50年一遇），地面粗糙度B级。
2 基础设计
根据勘察报告建议，1、2号塔采用现浇桩基础，桩端采用圆砾石层作为承载层。要求桩端进入承载层不小于5m，有效桩长不小于25m。抗浮设计水位取室外层，1号塔裙房和地下室的现浇桩也兼作抗拔桩。桩基础平面布置见图2、图3。
3 结构体系及超限情况
3.1 结构体系
1、2号塔楼均采用钢筋混凝土框架剪力墙
图2 1号塔桩基平面布置图
图3 2号塔桩基平面布置图
结构。本项目地下室为全埋式，共地下2层。地下室顶板与楼板连续，地下一层抗剪刚度大于一层的2倍以上。地下室顶板可作为上部结构的预埋端。
1号塔地上19层，建筑高度75.7m，高宽比3.34，长宽比2.2；底层4层为裙房，总高21m，约占塔楼建筑高度的28%。底部四个裙房层高分别为6、4. 8、4. 8、5. 4m，其他层主层高为3. 6m。
2号塔地上24层，建筑高度98.5m，高宽比2.75，长宽比1.17；底层层高6.4.8m，其他层主层高3.8m。
1号塔19层与2号塔18层相连，形成连体结构。两层板连接，连体跨度约27m。连体部分采用钢空心桁架，楼板采用组合楼板，连体部分楼板内部设置斜钢支撑，提高连体部分的抗震能力。
抗震等级：1号塔裙楼上下两层为二级； 1号塔、2号塔连体层及上下各一层为2层；其他地区为3级。
本工程梁板上方混凝土强度等级为C30，墙柱混凝土强度等级最高为C50，高处墙柱混凝土强度等级最低为C30。
塔架结构平面布置图、连体桁架截面示意图、计算模型示意图分别如图4～图7所示。
考虑到经济性，2号塔内跨也设置了框架柱。由于建筑条件和使用功能的限制，虽然Y向核心管墙与Y向框架柱存在一定的错位，但分析表明结构各方面均能满足规范要求。
塔组件截面尺寸：
（1）1号塔：框架柱截面为900×1 200、800×1 200、700×1 000、600×600；剪力墙厚度为400～200mm；外框架主梁截面为300×900，内框架主梁截面为300×800。 250×600，次梁截面为200×750、200×600、150×400；板厚100~120mm，楼板局部弱化厚度140~150mm（核心管区）。
(2)2号塔：框架柱截面为800×1 200、700×1 200、600×1 200、600×1 000；剪力墙厚度为500~200mm，外框主梁断面为400×950，内框主梁断面为300×700、300×600、500×500、400×500，次梁断面为
250×700、250×600；板厚110～120mm，楼板局部弱化厚度140～150mm（核心管区）。
3.2 超限情况
1号塔结构主要超限情况：1）考虑偶然偏心的规定水平地震作用下，楼板最大扭转位移比大于1.2，为不规则扭转结构； 2）底层4层裙房高度21m，约占1号塔楼建筑高度的28%，竖向构件位置缩进25%以上，为竖向尺寸突变结构； 3）塔身与裙房质心的偏心率大于底盘边长的20%，为塔身偏移； 4）两塔高度不一致。 1号塔与2号塔在19层相连，形成连体结构，为复杂的连体结构。结构。
2号塔结构主要超限情况：1）考虑偶然偏心的规定水平地震作用下，楼板最大扭转位移比大于1.2，为扭转不规则结构； 2）一楼局部扭转
2层大堂，二层楼板及穿楼柱均存在较大洞口，且局部穿楼柱存在不规则现象； 3）两塔高度不一致。 1号塔楼为19层，2号塔楼为连体结构，为复杂的连体结构。
3.3 结构抗震设计性能目标
本工程结构抗震性能指标设计满足丙级要求，结构抗震性能指标详细要求见表1。
4 负载动作
4.1 地震作用值分析
采用《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（简称抗规范）提供的地震振动参数和安全评价报告进行计算。结果表明，根据安全评价报告中的地震运动参数计算出的结构各层剪应力均大于标准反应谱值。小地震发生时规范与安全评估报告数据对比如图8所示。
因此，在小地震作用下，采用安全评价报告的参数来计算地震作用。将中震和大震的地震动参数作为相应的标准参数并乘以放大系数。放大系数为小地震安全评价报告数据与小地震标准数据的比值。
4.2 风荷载值分析
计算位移时，采用基本风压作为50年重现期的风压值；计算承载力时，采用基本风压为50年重现期风压值的1.1倍。
5 结构计算分析
5.1 小震反应分析及风荷载计算
分别利用SATWE和ETABS软件对整体结构进行分析。
执行计算分析。采用模态分解反应谱法（CQC法）进行抗震分析，考虑偶然偏心的影响。当发生小地震时，塔楼局部阻尼比为0。05。采用加权阻尼来考虑连体钢结构对整体结构阻尼的影响（基于ETABS软件）。
两个软件的计算结果相似。该结构的前三个周期为T1 = 2. 643 7s（Y方向平移）、T2 = 2. 386 6s（X方向平移）、T3 = 2. 226 1s（扭转）。分析表明，结构的最小剪重比
5. 2 小地震弹性时程分析
利用SATWE软件对小地震进行弹性动力时程分析。选择7条时程曲线（5条自然波和2条人工波），
各时程曲线计算得到的结构基础剪力大于模态分解反应谱法的65%，最大值小于模态分解法的135%。时程曲线计算得到的结构基础剪力平均值大于模态分解法的80%且小于120%，满足规范要求。
分析结果表明，对于结构高区部分楼层，按照标准反应谱法计算的楼板地震剪力值偏小，需要放大楼板剪力进行设计。
5.3 中震时构件受力分析
在中震作用下，结构构件的承载力按等效弹性法计算。
计算结果表明：框架梁和连梁基本不抗弯屈服，个别连梁抗弯屈服，但抗剪未达到屈服状态。框架柱均未达到屈服状态，承载力足够。
选择具有代表性的框架柱（柱平面位置见图9和图10）并人工审查其承载能力。计算结果如图11所示。
5. 4 大振动力弹塑性时程分析
为了评价结构在大地震作用下的抗震性能，采用PERFORM-3D软件对结构进行弹塑性动力时程分析。分析结果表明：
(1)剪力墙内钢筋受拉未达到屈服状态钢结构梁挠度限值，但剪力墙受剪能满足规范要求。
(2)结构高区框架柱尚未达到屈服状态，塑性变形水平多处于IO级[1]；标准楼层中的框架梁和连接梁均已发生弯曲屈服，塑性变形尚未达到CP值[1]，且屈服的梁分布在大部分楼层，起到了较好的消能作用。
（3）大地震作用下，连体建筑首层、顶层的上下弦钢框架梁、向内延伸的一跨钢梁等结构，以及向内延伸的一跨从塔楼向内，
而连体大跨上下弦钢梁连接的框架柱尚未达到屈服状态。
（4）结构层间位移角计算：1号塔X方向最大层间位移角为1/292，发生在6层。 Y方向层间位移角最大为1/294，发生在7层。 2 塔体X方向最大层间位移角为1/322，发生在6层； Y方向最大层间位移角为1/390，发生在6层。
大地震作用下，主要计算结果见表3、表4和图12～图15。
6 连体模型与单塔模型动力特性分析
连体模型和单塔模型的主要计算结果如图16和图17所示，从计算结果可以看出：
(1) 塔1的一阶振动形态为X方向平移，二阶振动形态为Y方向平移。然而，连体模型的一阶振动形状是Y方向平移，二阶振动形状是X方向平移。 1号塔单塔模型的X、Y周期值相似，两个方向的刚度相似。受连体部分作用的影响，一阶振动形状和二阶振动形状发生互换。
(2) 对比2号塔的单塔模型和连体模型，一阶、二阶振型方向没有发生较大变化。
(3) 1号塔和2号塔原始单塔模型的三阶振动形态均为扭振，这种振动形态在连体模型中基本消失。表明两塔连接后整体结构的刚度得到了一定程度的提高。
(4) 从单塔模型与连体模型在地震作用下各塔层间位移角的比较可以看出，各塔的X向刚度得到了提高。从单塔模型与连体模型各项指标对比来看，1号塔的刚度有所提高，而2号塔的刚度则相应减弱。两塔连接后，对各塔Y向刚度影响较小，各塔Y向刚度变化不大。
因此，各塔应按连体模型和单塔模型分别进行计算，并进行围护结构设计。
7. 连体构件的应力与变形分析
7. 1 连体部件概述
1号塔楼与2号塔楼的19层相连，如图18所示。建筑的连体部分用作酒店客房。由于对建筑效果要求较高，连体部分不允许采用斜撑。
连体部分与各塔之间的连接视为刚性连接。连体部分计算跨度约为27m。连体部分向每个塔延伸一跨，并在框架梁中配备型钢。连体部分采用钢空心桁架结构，桁架截面如图6所示。
7. 2 连体构件的应力分析
本工程连体部分采用钢空心桁架结构，倾斜
与有腹杆的桁架相比，钢空心桁架的承载能力和整体刚度相对较弱。设计时应考虑钢空心桁架的构件强度、整体变形和舒适度，并严格控制。
计算结果表明：连体建筑一层钢框架梁受拉，与钢框架连接的塔楼内框架梁受压；连体建筑顶层钢框架梁受压，与钢框架相连的塔楼内框架梁受拉。钢空腹桁架的截面布置和应力特性见图19和图20。
计算结果表明，连体件连接的框架柱、框架梁的承载力能够满足中等地震弹性要求。每座塔楼部分连体层剪力墙的承载力能够满足中震不屈服的要求。
7. 3 连体件振动与舒适度分析
图21为连体件三维计算模型。计算结果表明，结构一阶振动频率为4. 52Hz > 3Hz，满足舒适性要求。同时，对楼板连体部分进行了振动分析。主要计算结果如表5所示。从表中可以看出，楼板自振频率大于3Hz，能够满足舒适度要求。
连体部分采用钢空心桁架结构。桁架在恒载作用下的最大挠度为31mm，挠度跨度比为1/870。活载下最大挠度为8mm，挠度跨度比为1/3375。重力荷载下总挠度为39mm，挠度跨度比为1/692，可满足规范挠度极限L/500。
虽然连体部分采用钢空心桁架结构，但分析结果表明，结构的舒适性能够满足规范要求，连体部分的变形远小于规范极限，能够满足功能要求并且具有比较高的性能。舒适度好。
7.4 部分连体楼板竖向地震效应的考虑
连体部分跨度约27m。为保证结构构件的抗震安全，结构同时考虑“水平+竖向”地震作用。计算结果表明，当同时考虑“水平+竖向”地震作用时，在小震和中震应力作用下，构件的承载力均能满足规范要求，具有一定的承载能力。丰度（最大应力比小于0。9）。
7.5 计算结果分析
(1)连体部分采用整体钢空心桁架结构。上弦采用钢梁H1 200×500×20×40，下弦采用钢梁H1 400×500×24×40，钢空心桁架竖杆采用方钢管柱。 ，截面□600×500×50×50，立杆与上下弦杆刚性连接。延伸至塔内一跨的连体框架梁均采用型钢混凝土梁。
(2)桁架竖杆所受的应力主要是抗弯力，其承受的轴向力很小。由于连体部分的跨度较大，钢空心桁架的整体刚度相对来说不是很大。因此，上下弦钢梁主要抵抗弯曲变形，应力形状接近单跨梁。组合工况下：连体底部钢梁最大内拉力为1 750kN，连体顶压力最大为2 050kN。小、中震承载力复核结果表明，该梁的承载力较高。
（3）连体建筑部分楼层与大跨钢架连接。型钢安装在框架柱内，从连体建筑一层向下延伸两层。框架柱承载力能满足中等地震弹性要求；剪力墙的承载力能够满足中震不屈服的要求。连体部分竖向构件承载力满足规范要求和规定的抗震性能指标。
(4) 从构件计算结果来看，在小地震作用下，上下弦钢梁应力比小于0. 9，竖向钢管柱应力比小于0 8；在中震作用下，上下弦钢梁应力比不大于0. 9，竖向钢管柱应力比小于0. 8。
(5)连体部分应整体吊装，上下弦杆及竖向钢管柱应提前连接。吊装与塔体连接后，连接处的压型钢板进行施工。建议在1号塔主体屋面施工完成、2号塔施工至19层后进行连体桁架安装。
由于建筑条件限制，本工程连体部分采用钢空心桁架结构。计算分析表明：连体部分的舒适度、变形和构件承载力均能满足规范要求和设定的抗震性能指标钢结构梁挠度限值，并具有一定的富裕程度。
8 楼板应力分析
本项目使用ETABS软件对楼板进行详细分析。楼板均采用壳单元，划分为1m×1m。
小地震作用下各层楼板应力复核计算结果表明，各层大部分区域楼板面内正应力小于0. 4MPa，面内正应力小于0. 4MPa，大多数楼层的剪应力小于0。2MPa。标准层核心管内楼板面内正应力稍大，平均正应力达到0. 8MPa（小于ftk=1. 57MPa）。
中震和大震作用下楼板的应力可以通过放大小震计算的楼板应力来考虑。放大系数是中震、大震的地震影响系数与小震的比值。
连体部分通过在钢梁表面设置剪力螺栓，可以有效传递楼板剪力。
计算结果表明楼板设计能够满足规范要求和性能目标。对于楼板拉应力超过混凝土抗拉强度设计值的部位，除按重力荷载计算楼板配筋外，还可按下列公式加上楼板每延米配筋面积[2] ]：
As = (Ft 风 + Ft 地震) /Fy
式中：Fy为钢筋抗拉强度设计值； Ft风、Ft地震是地震作用下楼板的风荷载和内拉力。在中震和大震作用下，地板设计时无需考虑Ft风。
分析结果表明，核心管内板厚度为120mm，板面和板底每延米需采用As=60mm2的纵向钢筋。结合楼板的竖向承重作用，核心筒区域的板筋采用三级钢筋直径8@150双层双向布置，可满足计算及规范要求。
9 结论
（1）对于明显超限的结构，应采用抗震性能设计，根据构件的重要程度采用不同的抗震性能等级进行设计。
(2)对于连体结构，需要根据连体模型和单塔模型分别进行计算，分析连体结构对结构的影响，并采取相应的设计和加固措施。对于连体楼板相关范围内的结构构件，应区分拉弯和压弯，并人工复核其相应的承载力，确保构件的承载力有一定的丰裕度。
(3)对于连体结构，需要对连体部分的整体和局部舒适度进行分析，以确定连体结构的舒适度能够满足正常使用和规范的要求。
(4)为了达到大震时不倒塌的抗震性能目标，并评价大震时结构薄弱区的脆弱程度，宜对结构进行弹塑性动力时程分析。对于关键构件，需要审查其在大地震下的承载能力，以确保结构具有良好的抗震性能。
参考
[1] 韩晓蕾，季静．超极限高层建筑结构基于性能的抗震设计——理论研究与工程应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2013。
[2] 付长胜，刘春明，李永双，等．高层建筑弱连接混凝土楼板受力分析及抗震设计［J］．建筑结构，2008，38(3)：106-110。
