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本文以成都天华主持的设计项目为例，展示超高层复杂连体建筑设计的结构攻关 项目名称：绿地航校GIC 建设单位：绿地集团四川申宏置业有限公司 方案设计：成都天华西南建筑设计有限公司 施工图设计：成都天华西南建筑设计有限公司 技术咨询：广州容柏生建筑结构设计事务所 项目背景 本案位于成都市东南面，城市中心商务区内，紧邻南二环高架与科华路，为超高层住宅。整个项目力求现代、时尚的高品质气息，体现都市生活中的人文关怀。大胆采用建筑连体的形式在国内屈指可数，使得绿地航校项目成为成都，乃至中国西部标志性的住宅项目。  设计理念 01 设计概念  本案以“流水瀑布+河流磐石”为设计理念。采用简洁，现代的设计手法，强调纵向感和体块穿插。 02 绿地之门  绿地之门概念是整个项目的魅力所在，中间两栋住宅塔楼托起的空中楼阁，坐拥6套独一无二的天际别墅，犹如高耸入云的大门，俯看整个城市的繁华。 03 最终呈现   结构攻关 超高层复杂连体设计 连体方案选型 01 超限类型 整体形态 总高度137.25m超高扭转位移比超1.2，凹凸不规则及细腰型平面。 顶部复杂 顶部天墅区竖向构件不连续，属高位转换，同时存在连体和转换层。   02 典型案例 新加坡金沙酒店 与绿地GIC区别：常见连体以框筒等公共建筑为主，且塔楼以同向或接近同向居多，而本项目为剪力墙住宅，且塔楼之间角度达到116度，给连体选型及连接增加了极大的难度。  重庆来福士广场 与绿地GIC区别：天墅区域外周均有5~10米的外挑，天墅区与下部住宅区有明显的分隔，下部住宅区竖向构件除核心筒外均无法上升至别墅区。 
刚性连体方案 由于两栋塔楼间有116度夹角，其中一栋塔楼水平运动，必然带来另一栋塔楼的扭转，连体刚度越大，扭转效应越明显。 由于仅有核心筒剪力墙可伸至别墅区，大震作用下地震力的传递必然带来核心筒破坏极其严重，且核心筒剪力墙截面厚度将增加至难以接受的程度。  问题一 由于两塔楼之间存在夹角，刚性连接后两塔运动方向不一致，导致结构第1周期就是扭转周期，且扭转位移比超过1.6。  问题二 受两塔相对运动的扭转效应影响，连体与主塔相连剪力墙剪力很大，小震下即已出现抗剪截面不足，且墙厚度增加，地震力也随之增大，恶性循环。 问题三 两塔间平均距离约24m，转换桁架外悬挑距离5～10m，必须采用桁架才能跨越，但主塔楼住宅的墙厚仅为200～300mm，难以将桁架嵌入墙内锚固。当连体桁架直接与剪力墙相连时，剪力墙必须有足够的厚度和抗剪承载力，但本项目没有这样的条件。 04 柔性连体方案 高位隔震柔性连体方案 柔性连接的高位隔震结构原本是我们的首选方案，但计算结果表明，隔震放在地面时效果很好，但放在塔楼屋面时，不但没能减小地震力，反而有所增大 由于顶部连体体量较小，采用隔震垫后并不会形成通常的隔震结构，而是变为TMD谐振结构，且谐振体周期与主结构周期相近，不但不能起到减震作用，甚至还由于谐振激励导致地震力增加。因此，本工程不适合采用高位隔震方案。
半刚性连体方案 在连体部分和下部剪力墙之间设置钢支撑筒作为过渡，同时弱化了连体的刚度，避免了刚性连接的问题。取消下部结构与连体相连的混凝土核心筒，利用筒体的位置，在连体和塔楼之间设置粘弹性阻力器，提高耗散地震力的能力。 连体桁架由总共12个钢支撑筒支撑，分别落在两栋混凝土塔楼的顶面。每三榀桁架形成一个三角形不变体，保持各自区域的侧向稳定，三角形之间的区域形成可变形的四边形，形成半刚性平面。钢支撑筒与混凝土剪力墙之间通过上反圈梁连接，保证剪力的传递，同时圈梁下布置竖向钢骨插入剪力墙内，以实现竖向力的有效传递。 06 平面布置 07 参数输出 半刚性方案的前两个振型都是纯平动，既没有出现刚性连接方案的第1周期扭转，也没有出现柔性连接方案连体部分与主塔楼运动不同步的现象 半刚性方案的第3振型为两塔相对运动，带有一定扭转，但主要成分仍是平动，相比刚性连接方案的扭转成分要小很多。 与刚性方案相比，半刚性连接方案的桁架地震轴力减小约70%，小震工况下轴力仅为恒载的1/4，而刚性方案则达到1/2以上。 对顶部连体别墅，考虑到其结构体系与塔楼差异很大，我们考虑了YJK整体模型、Midas独立体模型、以及Midas强制位移模型三种计算方式，进行包络设计。 在小震下，由于塔楼的变形仍然会对连体钢结构产生影响，因此连体桁架应力比基本由YJK整体模型控制，但由于地震组合下有抗震承载力调整系数的优势，考虑和不考虑地震组合应力比基本相同，连体结构实际是由竖向荷载控制。 在大震下，构件应力比是由Midas强制位移模型控制，在这种极端情况下，会有个别构件应力比达到1.1，其他情况构件都能轻松满足大震不屈服的性能要求。 高位转换处理 为了削弱转换桁架的平面刚度，转换桁架的上下弦有意不设混凝土板，而是在转换桁。架上架设一个1.65m的架空层作为别墅首层，支承架空层的短钢柱都与转换桁架的竖腹杆对齐。 由于别墅区的户型空间要求，除两个中心电梯筒外，别墅区其他框架柱都不能与转换桁架对齐，利用前述架空层进行了高位转换。 转换后的别墅区基本是一个两层高的钢框架，仅有电梯筒区域设有少量斜撑，用来抑制可能发生的风振和机械振动。 在别墅区，由于建筑要求大部分采用矩形钢管柱，利用架空层的转换梁来完成圆管到方管的转换。 根据超限专家意见，上部钢框架梁上柱下延一层至嵌固层底，为使桁架受力简单，并未像普通转换结构刚接处理，仅作为铰接考虑。 节点与节点实验 01 关键节点 加强措施一：性能目标由D上调到C，钢支撑筒满足中震弹性，大震不屈服的要求； 加强措施二：单斜撑改为交叉斜撑； 加强措施三：上翻大梁改为700厚混凝土整板； 02 节点试验 综合考虑实验加载能力、合适的几何尺寸、材料等因素后，试验节点几何尺寸选取1:2的缩尺比例，同时材料由Q345B变换为Q235B，按照此缩尺比例去市场购买尽可能近似的钢管。 自平衡反力架系统示意 由于节点内力较大，且杆件较多，考虑实际况，从经济角度出发，设计自平衡反力架系统一套。 杆件轴向应力 由于节点较为复杂，钢管在相贯区域其截面和杆轴线并不垂直，意味着管件在各个方向的约束并不一致；同时试验加载时，千斤顶加载点存在偶然偏心，因此杆件受力后其轴向应力分布并不完全均匀，导致每根构件上均布的3个测点的应力值出现不均匀的现象。随着荷载的增加，各杆件应力都基本呈线性增加，基本反应了受力情况。4号杆最大应力183.32MPa（为屈服强度的60.5%），7号杆最大应力325.42MPa（为屈服强度的83.2%），12号杆最大应力-279.79MPa（为屈服强度的82.8%），但均未屈服，其余杆件应力值均低于130MPa，杆件应力值较小。 天墅区域外周均有5~10米的外挑，天墅区与下部住宅区有明显的分隔，下部住宅区竖向构件除核心筒外均无法上升至别墅区。 节点加载阶段 第一阶段首先施加重力荷载代表值Geq，并以该状态作为初始状态，该阶段分五级加载。 第二阶段以 （即Geq-6Ex，1.0倍大震）的设计荷载作为加载目标，分为4级加载，每级荷载增量为大震荷载 的0.25倍，每级加载从零或重力工况值加载至该级荷载，每级荷载卸载循环一次。 第三阶段以 （即Geq-7.2Ex，1.2倍大震）荷载为加载目标，从零或重力工况值加载至该荷载，并卸载，再加载，卸载，循环两次。或已达到设备的加载能力。 在Geq-7.2EX工况下大部分区域应力值小250MPa，7、8号杆局部区域应力集中达到310MPa，但未达到其屈服强度；4号杆、5号杆、8号杆与主管相交的局部区域应力较大，达270MPa以上，该区域为节点的薄弱区。 节点的薄弱部位出现在4、5号管与主管交汇区域，该区域可考虑采用30mm厚水平插板适当加强。水平插板设置如下图所示，水平插板贯通4号杆并伸入3号和5号杆与竖向插板相交。增设该插板后，原薄弱部位处的应力状况得到了明显的改善，在荷载Geq-7.2Ex 作用下节点应力图见图4.3-1（c），节点的最大应力区域已发生转移且最大应力值明显减小，原薄弱部位(4号杆、5号杆、8号杆与主管相交的局部区域)的应力由超过270MP降低至不到190MPa。
01 振形分析 结构首次出现顶部显著振动的是第24阶，但此时塔楼振动也非常明显，该阶振动仍然为整体振动。第31、72、99阶的振型均为顶部别墅层的局部振动，到第99阶结构周期仅为0.31s。 对上述振型图进行观察比较可发现，顶部局部振动均为两个别墅层的振动，而连体桁架层与钢支撑筒层并未出现明显的局部振动。经分析，前500阶振型内均未出现连体层的局部振动，其振动始终与塔楼同步。 结构顶部的两个钢框架别墅层预期将会有一定的鞭梢效应，但刚度较大的连体桁架层和钢支撑筒层不太可能出现显著的鞭梢效应
为了尽可能反映短周期地震波对结构高阶振型的激励放大作用，补充选取了6组天然地震记录，各记录主方向时程以及其反应谱与规范谱的比较如下图所示，所选记录虽然长周期段离散性较大，但在短周期的反应谱平台段均有较强的反应。 支撑筒层和连体桁架层的时程分析地震力不到CQC的1.2倍，两个别墅钢框架层则接近1.25倍。 02 得出结论 结构顶部的地震力放大实际可以分为鞭梢效应和短周期地震波激励放大两种作用。 从振型分析的结果来看，结构顶部的两个钢框架别墅层预期将会有一定的鞭梢效应，但刚度较大的连体桁架层和钢支撑筒层不太可能出现显著的鞭梢效应。 从50阶和100阶CQC反应谱法的计算结果来看，二者剪力完全重合，表明高阶局部振动虽然存在，但对地震力的贡献很小，CQC法取50阶周期已足以反映顶部鞭梢效应的贡献。 从补充的6组短周期段能量较大的天然波弹性时程分析结果来看，时程分析结果顶部地震反应的确高于CQC结果，存在明显的短周期地震波激励放大作用，其中支撑筒层和连体桁架层的时程分析地震力不到CQC的1.2倍，两个别墅钢框架层则接近1.25倍。因此，对顶部独立体地震力放大系数取1.3倍。 ——以上案例来自成都天华建筑 作者：成都天华结构副总工·罗帅 |
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