浅析连体结构抗震设计

浅析连体结构抗震设计

晏润英

奥意建筑工程设计有限公司 广东 深圳  518000

摘要：随着经济全球化的发展，我国的建筑行业也迎来了全面升级，建筑新技术层出不穷，高层建筑结构设计不断推陈出新，在当前时代发展的大背景下迎合了产业上升发展的趋势。文章针对建筑市场中多层和高层建筑的连体结构设计进行分析，深入研究了建筑连体结构的创新设计，使得连体结构在高层建筑结构设计中的应用更加广泛。文章不仅对建筑的连体结构两种连接方式进行了详细受力分析，更进一步地研究并总结了建筑连体结构的抗震设计要点，以期对当下建筑行业建筑连体结构的设计起到实际的帮助作用。

关键词：连体结构；抗震设计；分析

前言：连体结构作为⼀种新型复杂建筑类型，拥有优美的建筑外观，其不仅可以节省建筑所需的⼟地⾯积，多层连廊能贯通楼与楼之间的交通便利，高层塔楼之间的连接体位置（如⾼空连廊）能提供开阔的观光视野和独特的视觉效果，因⽽在现在的建筑形式得到⼴泛应⽤。

一、连体结构分类

（1）按塔楼数量分类

按照塔楼数量可以分为双塔连体、三塔连体和多塔连体。

（2）按塔楼的位置分类

按塔楼的位置可以分为对称连体和⾮对称连体。⾮对称连体结构的平扭耦联效应明显，受⼒复杂。

（3）按连接强弱分类

按照塔楼与连接体的连接强弱可以分为柔性连接和刚性连接。

柔性连接（等同于铰接）是指连接体可以通过隔震⽀座与塔楼相连，连接体对塔楼的结构动⼒特性⼏乎不产⽣影响。例如教学楼之间的钢结构连廊。

刚性连接（等同于刚接）连接体可以通过设置钢梁，钢桁架或者型钢混凝土梁与塔楼相连。连体的存在使得各塔楼相互约束，相互影响，结构在竖向和⽔平荷载作⽤下的受⼒性能复杂，影响因素众多，从而对设计受力分析要求较高。

二、连体结构的受力特点及抗震分析

根据柔性和刚性连接的两种连接方式结合实际项目来分析各自的受力特点。

（1）柔性连接的连体结构

这种连接在学校和商业综合楼项目上比较多见，为了贯通各楼之间的交通便利，一般会采用钢结构连廊，连廊的钢梁和混凝土结构采用铰接连接或者有一端采用滑动连接，也包括采用阻尼器的连接，下图所示就是一端采用滑动的弱连接：

这种弱连接连体结构的特点是连接体受力较小，在风和地震荷载作用下，连接体两侧的主体结构基本上不能整体协调变形受力，所以塔楼计算时一般都是按单塔分开受力分析，主体结构也只需考虑连接体传递于主体结构上的力即可。而两者之间的滑动连接支座长度应满足罕愚地震作用下两侧主体结构各1倍的变形。如果采用带阻尼器的连接方式，计算时则需考虑连接体-阻尼器与主体结构的共同作用。

对于弱连接的连体结构，以往对竖向地震作用考虑较少。实际上，即使采用滑动连接或者弹性连接，连接体的竖向地震影响依然存在。因此，8,9度这种高度抗震设防时，弱连接的连体结构也应考虑竖向地震的影响，并宜进行竖向地震作用下的时程分析。

（2）刚性连接的连体结构

这种连接的连体结构一般连接体刚度相对较⼤，使塔楼间产⽣显著的抗弯作⽤，结构在竖向和⽔平荷载作⽤下的受⼒复杂，而塔楼的数量和结构形式、结构的对称性、连体的数量、刚度、位置、塔楼的间距、塔楼与连体的连接强弱和施工顺序等都对连体结构的受力有不同程度的影响，因此在强连接的连体结构设计过程中，受力分析成为重中之重。

由于影响因素众多，连体结构的力学性能比一般结构要复杂得多，其主要的受力特点和设计要点：

动力特性复杂

各塔楼相连后，整体刚度增大，但刚度不同的各塔楼被连接协调变形后模态特性较难预知。同时，连接体与各塔楼的相对刚度、连接体所处的塔楼位置均会对整体结构的动力特性产生较大的影响，这使得连体结构的振动模态复杂化、除连体部位外，各塔楼振动的不同步，塔楼反向运动或同向不同步运动是连体结构阵型的一个重要特征。而高阶模态对结构反应的贡献也大大增强，因此在结构设计时一定要达到规范规定的有效质量参与系数所需计算模态数。

扭转效应显著

与其他体型的结构相比，高层连体结构的扭转变形较大，平扭耦合效应更强。在水平和地震作用下，结构除产生平动变形外，扭转效应随着塔楼不对称的增加而加剧。即使对于对称连体结构，由于连接体楼板的变形，各塔楼除了有同向的平动外，还可能产生相向运动，该振动模态与整体结构的扭转振型耦合在一起。实际工程中，由于地震在不同塔楼之间的振动差异，各塔楼的不同步运动极有可能产生响应，由于这种不同步的振动特性，结构各平动模态中的扭转分量也有较大幅度的提高，甚至扭转模态提前。因此在结构抗震计算和设计时，应进行双向地震作用的验算，并考虑平扭耦联效应。

连接体受力复杂

强连接体在连体结构中起到至关重要的作用。第一：连接体的跨度往往比较大，且使用功能复杂，荷载重，起到荷载传递至各塔楼的作用，第二，在水平风荷载和地震作用下，连接体起到各塔楼之间传递水平力的作用。第三，由于结构的不对称性，各塔楼的各自的动力特性差异大，连接体起到协调各塔楼的变形，实现各塔楼共同工作的作用。因此连接体在竖向和水平荷载作用下，处于拉、压、弯、剪、扭的多种受力状态，在实际工程中，我们应该对连接体有专项受力分析。

④风荷载的准确计算

在高层结构设计与分析时，尤其是沿海城市一带，风荷载往往超过地震作用成为结构的主要控制的水平作用，而连体结构一般与塔楼各形状、数量、塔楼的间距、相对角度还有连接体的形状有关，并且，还应考虑各塔楼之间形成的狭窄通道使风场流速加大，风压增强。除规范规定的体型系数外，一般通过风洞试验研究确定。

⑤竖向地震作用明显

一般高层的连接体因跨度大且竖向荷载大，使其对竖向地震作用的敏感，因此在高层连体结构抗震设计时，应该考虑竖向地震作用。

⑥施工工序对结构性能影响较大

高层连体结构的施工技术较为复杂，尤其时连接体一般都涉及大跨度转换，高支模，高空悬挑，型钢混凝土连接节点等多种施工难点融合在一起，为提高施工效率，节约工程成本，不同施工顺序和方法对不同阶段的结构受力会产生巨大影响。因此，在高层连体结构设计时，必须对结构进行施工顺序模拟分析，确保结构安全，实际工程中，一般利用结构计算软件对不同施工工序采用包络设计，以确保结构在不同施工状态下的满足受力要求。

⑦竖向刚度突变受力分析

连接体与上下相邻楼层的刚度突变严重，尤其时与下一层的刚度突变明显，相邻上下层受力复杂，尤其时下一层存在明显的应力集中的现象。该层的受力明显增大，在结构设计时应在抗震措施上都给予加强，

⑧舒适度的影响

对于各塔楼之间间距较大的连体结构，而连接体的刚度对于塔楼的刚度相对较小时，结构设计时，应对连接体进行的舒适度验算，以确保建筑功能的正常使用。

三、工程实例

例如某酒店商业、服务型公寓、办公楼，其中办公楼部分主屋面高度为61.65m；公寓部分建筑主屋面高度为79.4m；其余部分为商业裙房和三层地下室其中裙房为商铺及物业管理用房。上部5层公寓是高位刚接连体，如下图所示：

本工程处于6度区，基本风压w0=0.55KN/m2,A级高度，连接体采用是型钢混凝土墙柱刚接的强连接方式。本项目因存在多项不规则，在对结构进行可行性分析时，按照规范要求采用抗震性能化设计，分别进行了a.多遇地震下的弹性分析，b.设防烈度地震作用下，抗震性能目标的包络设计。c.罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。d针对连接体受力复杂的特点，对连接体采用专项受力影响分析，

对比连体结构计算和各塔楼分体计算，存在以下特点：1.连体结构整体计算扭转效应更为显著，2.连体结构受力计算远大于各塔楼的单体计算，3.在连接体及上下层因竖向刚度突变，引起应力集中现象，4.在施工加载方式三和连接体一次性加载两种不同的施工加载下，结构的受力差异较大。因此，在施工图设计中，除了考虑结构在多遇水平和竖向地震以及风荷载作用下的设计，还需考虑设防烈度的性能化设计，以及罕遇地震作用下的抗震性能设计，另外还根据具体的各种施工加载方式，进行包络设计。

而对于连接体受力复杂的特点，根据以上各种工况下的受力分析和专项分析，高位连接体部位采取一些加强措施，比如：高位连体部位即转换层的板厚加厚至180mm，转换层相邻上下层板厚加厚至140mm，板筋按0.25%双层双向拉通，以保证水平力的有效传递；转换层下一层剪力墙水平筋配筋率增大至0.40%以满足上下层抗剪承载力比的要求；连接体及与连接体相连的结构构件在连接体高度范围及其上、下层，抗震等级应提高至二级；与连接体相连的框架柱在连接体高度范围及其上、下层箍筋全柱段加密配置；与连接体相连的剪力墙在连接体高度范围及其上、下层设置约束边缘构件等抗震构造措施。

参考文献：

[1]沈蒲生 多塔与连体结构设计与施工，2009（08）

[2]周建龙 超高层建筑结构设计与工程实践，2017（12）