某带强连接钢连廊高层建筑结构抗震性能化设计与分析

Seismic Performance-Based Design and Analysis of a High-Rise Building Structure with a Strong Connected Steel Corridor

摘要

某带强连接钢连廊高层建筑结构地上5层，地下1层，建筑高度为26.2 m，采用框架-剪力墙结构体系。结构同时具有扭转不规则、楼板不连续及构件间断共3项不规则项，属于规则性超限高层建筑。针对不规则项，采取了相应的加强措施。为保证结构设计合理，采用YJK、MIDAS Building和SAUSAGE三种软件对结构进行了多遇地震和风荷载作用下的弹性反应谱分析、多遇地震作用下的弹性时程分析、设防地震和罕遇地震作用下的等效弹性分析、罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。重点介绍了作为“关键构件”的强连接体的构造、为确保塔楼间协调变形及解决强连接体带来层间刚度突变问题所采取的技术措施。为保证强连接钢连廊的安全，补充了相关专项分析。计算结果表明，采取相应的加强措施后，结构各项计算指标均能满足规范要求，能够达到预设的抗震性能目标。

Abstract

The high-rise structure with a strongly connected steel corridor comprises five above-ground floors and one underground floor， with a building height of 26.2 m， and adopts a frame-shear wall structural system. The structure exhibits three types of irregularity： torsional irregularity， discontinuous floors， and discontinuous structural components， thereby categorizing it as an out-of-code irregular building. Corresponding strengthening measures have been implemented to address these irregularities. To ensure the rationality of the structural design， elastic response spectrum analysis under frequent earthquakes and wind loads， elastic time-history analysis under frequent earthquakes， equivalent elastic analysis under fortification-level and rare earthquakes， and elasto-plastic time-history analysis under rare earthquakes were carried out using YJK， MIDAS Building， and SAUSAGE software. This paper focuses on the configuration of the strong connection as the key component， detailing measures to ensure coordinated deformation between the towers and to mitigate the effect of sudden stiffness changes induced by the strong connection. Specialized analyses were also conducted to ensure the safety of the strongly connected steel corridor. The results demonstrate that， after implementing the corresponding strengthening measures， all structural performance indices satisfy the code requirements， meeting the expected seismic performance objectives.

Graphical abstract

关键词

钢连廊 / 框架-剪力墙结构 / 超限建筑 / 加强措施 / 弹性反应谱分析 / 弹塑性时程分析 / 强连接

Key words

steel corridor / frame-shear wall structure / out-of-code building / strengthening measures / elastic response spectrum analysis / elasto-plastic time-history analysis / strong connection

0 引 言

连体结构是指由两个或多个塔楼通过连接体相连而形成的结构体系。通常来说，连接体与塔楼的连接方式根据是否能协调塔楼间的变形分为弱连接和强连接两种形式^［1］。当连接体与塔楼采用铰接或滑动连接时，由于无法协调塔楼间的变形，被视为弱连接。当连接体与塔楼采用刚性连接时，由于可以协调塔楼间的变形，被视为强连接，此时连接体受力情况变得极为复杂。一方面，连接体要承受竖向地震作用和自重；另一方面，连接体要在水平地震作用下协调塔楼间的变形。如果连接体无法发挥其应有的作用，将会成为结构的薄弱环节。因此开展能够有效协调塔楼间变形的强连接结构形式研究具有一定的理论意义和工程应用价值。一些文献介绍了强连接体的典型工程结构设计，如深圳腾讯滨海大厦^［2］、苏州东方之门^［3］、北京丽泽SOHO^［4］、北京CCTV新台址主楼^［5］、南京金鹰天地广场^［6］及武汉泰康金融中心^［7］等。需要注意的是，上述典型工程都属于体型较大的超高层建筑，均采用刚度较大的结构体系，因此强连接体造成的刚度突变影响较小。当高层建筑的建筑高度较低时，建筑的结构体系通常采用框架结构，由于框架结构的刚度相对较低，因此强连接体造成的刚度突变影响较大。目前建筑高度较低且采用强连接体的连体高层建筑结构工程案例较少。针对这一情况，本文介绍了某带强连接钢连廊高层建筑结构抗震性能化设计与分析，着重介绍了强连接体的构造、确保塔楼间协调变形及解决强连接体带来层间刚度突变问题的技术措施。

1 工程概况

某产业基地位于武汉市江夏区。项目西区统称1#综合楼，其主体为超长复杂六塔连体结构。地下部分整体设1层地下室，地上部分由1-1#楼和1-2#楼组成，建筑效果图如图1所示。其中1-1#楼由1-1#A—D四座厂房组成，建筑功能主要为办公、数字研发厂房，总建筑面积约14.0万m²；1-2#楼由1-2#A—B两座倒班楼组成，主要建筑功能为宿舍。结构单元划分如图2所示。本文主要介绍1-1#D座厂房（某带强连接钢连廊高层建筑结构）的抗震性能化设计与分析。

本工程抗震设防类别为标准设防类^［8］，依据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）（2016年版）^［9］（以下简称《抗规》）、《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）^［10］及《关于提高武汉市部分新建建筑工程抗震设防要求的通知》（武城建〔2021〕41号）^［11］，1-1#D座厂房抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g，场地类别为Ⅱ类；依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）^［12］，用于结构水平位移计算的基本风压w₀=0.35 kN/m² （R=50），用于舒适度控制的基本风压w₀=0.25 kN/m²（R=10），地面粗糙度类别为C类。基本雪压S₀=0.5 kN/m²（R=50）。

2 结构布置

1-1#D座厂房地上5层，地下1层，建筑高度为26.2 m，采用框架-剪力墙结构体系，结构构件抗震等级见表1。-1层层高5.85 m，1层层高6.5 m，2层层高6 m，标准层层高4.5 m，高宽比为0.96。由于1-1#D座厂房的建筑高度仅为26.2 m，通常情况下其结构体系应采用框架结构。但实际上，最终结构体系采用框架-剪力墙结构，主要可归因于1-1#D座厂房在第3层至屋面层存在跨度为36.0 m的强连接钢连廊，导致结构单体在第3层出现刚度突变。为解决强连接体带来的刚度突变的问题，在第3层以下的楼梯、电梯间增设剪力墙，而强连接体范围楼层仅布置框架柱，以调整整体结构的层间刚度比。底部设置剪力墙的框架-剪力墙结构体系和不设置剪力墙的框架结构体系的模型计算指标对比结果见表2。可以发现，采用框架-剪力墙结构体系能有效解决因强连接体造成的层间刚度突变问题。

1-1#D座厂房基本柱网为9.0 m×9.0 m，建筑外围尺寸为79.0 m×27.0 m，楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板体系，典型结构平面布置如图3所示。根据计算需要，楼层典型板厚见表3，剪力墙、框架尺寸分别见表4、表5。墙柱、梁板混凝土强度等级分别为C40、C35。从图3可以看出1-1#D座厂房分为左、右两座塔楼，左、右两座塔楼分别在1D-S、1D-H轴设结构缝与1-1#B座、1-1#A座断开；在3~6层1D-Q~1D-L轴设置跨度为36.0 m、宽度为27.0 m的强连接体将1-1#D座厂房两侧主体结构连为整体强连接连廊采用钢结构桁架，共4榀，其边跨为跃层桁架［图4（a）］，中间跨为空腹桁架［图4（b）］。

强连接钢连廊的楼板采用150 mm厚的钢筋桁架楼承板，在梁平面设置角钢交叉支撑，以提高楼层梁平面外刚度。为尽可能实现刚接效果，与连接体相连的柱及其相邻一跨柱均采用型钢混凝土柱^［13］，连接体的上、下弦杆、斜腹杆与型钢柱均采用等强坡口焊连接，且连接体钢梁通过型钢混凝土形式延伸入主体结构相邻一跨^［14］，构件规格见表6。型钢部分与相邻型钢混凝土柱的型钢部分同样采用等强坡口焊连接，节点做法如图5所示。

根据岩土工程勘察报告^［15］和《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）^［16］，结合上部结构实际情况，本单体基础形式为桩基承台+防水板。基桩采用后注浆钻孔灌注桩，桩径为800 mm，选用第⑥-2层中风化泥质粉砂岩作为桩端持力层，单桩竖向抗压承载力特征值为4 950 kN，桩身混凝土强度等级为C40，桩基平面布置见图6。由于首层周边设有汽车坡道及下沉庭院，地下室顶板大开洞不利于首层嵌固，故嵌固端取在基础顶。

3 结构超限判定与性能化设计

3.1　结构超限判定

依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质〔2015〕67号）^［17］，1-1#D座厂房属于规则性超限高层建筑，应进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查，超限情况见表7。

3.2　抗震性能目标

依据《高规》，综合考虑本单体的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素，选定本工程的抗震性能目标为D+级，各性能水准结构预期的震后性能状况见表8。

3.3　针对不规则项的加强措施

针对扭转不规则，计算中计入了扭转的影响，考虑了双向地震扭转效应，并且在振型数量上考虑较多的振型使质量参与系数不小于90%。

针对楼板不连续，采取了以下加强措施：①全楼楼板板厚≥120 mm，洞口周边楼板采用双层双向配筋，并适当加强洞口周边楼板配筋和梁贯通钢筋；②进行多遇地震和罕遇地震作用下的楼板应力分析，按照楼板应力云图进行局部加强。

针对构件不连续，除结构布置中提及的措施外，将与强连接钢连廊相连的框架在连接体高度范围及其上、下层抗震等级提高一级，适当增加框架柱配筋；强连接钢连廊的楼板厚度为150 mm，楼板双层双向配筋。

4 结构分析

4.1　多遇地震与风荷载作用下弹性反应谱分析

采用YJK软件作为多遇地震与风荷载作用下弹性反应谱分析的主要计算软件^［18］，用于整体指标计算及配筋分析，同时采用MIDAS Building软件对主要整体指标进行校核，确保模型准确性，计算模型如图7所示。两款软件计算出的模型前6阶结构自振周期与自重见表9，可以看出指标基本一致，表明所建立计算模型具有可靠性，可开展整体指标计算及配筋分析。模型在多遇地震与风荷载作用下弹性反应谱分析的其他整体指标见表10，层间位移角如图8所示。

4.2　多遇地震作用下弹性时程分析

采用YJK软件作为多遇地震作用下弹性时程分析的主要计算软件，共选取7组时程曲线，其中5组天然波No.1—No.5和2组人工合成波No.6—No.7。分析时考虑两个水平方向地震同时作用，不考虑竖向地震作用，主、次方向峰值加速度的比值为1∶0.85。多遇地震作用下模型弹性时程分析与弹性反应谱分析计算的基底剪力对比分别见表11。可以看出，弹性时程分析计算的X、Y方向基底剪力位于反应谱法的65%~135%之间，平均值位于反应谱法的80%~120%之间，表明所选7条地震波可用于弹性时程分析。

弹性时程分析结论：①弹性时程分析与弹性反应谱分析的变化规律基本一致；②楼层最小剪力系数和最大层间位移角均满足规范要求，弹性时程分析与弹性反应谱分析的层间位移角对比如图9所示；③弹性时程分析与弹性反应谱分析计算的层间剪力平均值对比见表12。可以看出，弹性时程分析计算的层间剪力普遍大于弹性反应谱分析计算的层间剪力，施工图设计时应将层间剪力作放大处理，使弹性反应谱分析计算的层间剪力能够包络弹性时程分析计算的层间剪力平均值。

4.3　设防地震和罕遇地震作用下等效弹性分析

根据抗震性能目标，采用YJK软件对结构进行设防地震和罕遇地震作用下的等效弹性分析。等效弹性分析结果表明：①设防地震和罕遇地震作用下X、Y向最大层间位移角分别为（1/769、1/1 306），（1/294、1/333），均满足抗震性能目标；②设防烈度作用下，部分墙肢中出现小偏拉，但拉应力均未达到混凝土轴心抗拉强度标准值f_k，设计时将出现拉应力的剪力墙抗震构造措施等级定为特一级；③设防地震作用下强连接钢连廊各个杆件的正应力、剪应力、稳定应力及竖杆的轴压比均小于1，表明强连接钢连廊各杆件处于弹性状态，均满足规范要求；④设防地震和罕遇地震作用下关键构件、普通竖向构件及耗能构件均能满足抗震性能目标。

4.4　罕遇地震作用下弹塑性时程分析

采用SAUSAGE软件补充结构在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析^［19］。共选取3组时程曲线，其中2组天然波No.8、No.9和一组人工合成波No.10。选波原则同多遇地震作用下弹性时程分析，基底剪力对比分别见表13。对比结果表明，所选3条地震波可用于弹塑性时程分析。

YJK与SAUSAGE软件计算的模型前6阶结构自振周期与自重见表14，可以看出指标基本一致，表明SAUSAGE软件建立的计算模型具有可靠性，可开展弹塑性时程分析。

罕遇地震作用下弹塑性基底剪力与弹性基底剪力对比见表15。罕遇地震作用下弹塑性层间位移角如图10所示，X、Y向最大层间位移角均满足规范要求。

《抗规》指出，由于影响弹塑性位移计算结果的因素很多，其计算值的离散性与承载力计算的离散性相比较大，不宜直接把计算的弹塑性位移值视为结构实际弹塑性位移，需借助多遇地震作用下的弹性时程分析及反应谱法分析进行修正。修正方法如下：取不同地震波、同一部位罕遇地震下弹塑性层间位移角与多遇地震下弹性层间位移角比值的包络值（图11），再乘以反应谱法计算的该部位多遇地震作用下的层间位移角，即罕遇地震作用下该部位的弹塑性层间位移角参考值。修正后的弹塑性层间位移角如图12所示，X、Y向最大层间位移角均满足规范要求。

在整个地震波输入的过程中，可以发现：①大部分剪力墙无损坏或轻微损坏，底部加强区剪力墙出现局部轻微和轻度损坏，全楼剪力墙未出现中度及以上损坏；②1层以上楼层，较多框架柱轻微损坏，部分框架柱轻度损坏，未出现中度及以上损坏；③框架梁以轻微和轻度损坏为主，极少数中度损坏，未出现重度及严重损坏；④连梁以轻度损坏为主，未出现中度及以上损坏；⑤全楼楼板绝大部分无损坏，少数楼板轻微损坏，未出现轻度及以上损坏；⑥作为关键构件的强连接钢连廊，均无损坏，在3条地震波下损伤结果包络值如图13所示。

全楼结构构件损伤结果显示结构具备良好的屈服机制，罕遇地震下结构构件的抗震性能能够达到性能水准5的要求。结构构件在各地震水准下实际的抗震性能见表16，本单体的实际抗震性能为C级，优于抗震性能目标D+级。

5 强连接钢连廊性能与楼板应力分析

5.1　强连接钢连廊性能分析

1-1#D座厂房在第3—6层1D-Q—1D-L轴设置跨度为36.0 m、宽度为27.0 m的强连接钢连廊将1-1#D座厂房两侧主体结构连为整体，其中强连接钢连廊计算模型三维视图如图14所示。

为全面评估作为关键构件的强连接钢连廊的抗震性能，采用YJK软件补充进行了强连接钢连廊在多遇地震用下的挠度、强度验算。强连接钢连廊在1.0恒载、1.0活载作用下的位移如图15所示，可以看出强连接钢连廊在1.0恒载、1.0活载作用下的最大位移分别为50.76 mm、18.70 mm。《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）^［20］规定，永久和可变荷载标准值产生的挠度的容许值［ν_T］为1/400，可变荷载标准值产生的挠度的容许值为［ν_Q］1/500。经计算，满足规范要求。各个杆件的正应力、剪应力、稳定应力比均小于1，满足规范要求。

5.2　楼板应力分析

1-1#D座厂房存在第2层楼面大开洞、有效宽度小于50%的情况，且纵向长度达79 m左右，属于超长结构。为实现楼板的抗震性能目标，针对2层楼板采用YJK软件进行了多遇地震和罕遇地震作用下的楼板应力分析，分析时采用弹性膜模拟楼板，罕遇地震作用下楼板应力云图如图16所示。

多遇地震作用下楼板受拉、受压应力均未超过1.2 MPa，小于相应楼板混凝土的受拉、受压强度设计值（f_t=1.57 MPa，f_c=16.7 MPa），楼板处于弹性状态。罕遇地震作用下，绝大部分楼板受拉、受压应力小于相应楼板混凝土的受拉、受压强度标准值（楼板混凝土强度等级为C35，f_tk=2.20 MPa，f_c=23.4 MPa），满足不屈服设计要求。楼板应力集中主要位于洞口周边及楼板阴角等不连续位置，其中电梯井附近个别楼板应力较大，超过了楼板混凝土的受拉强度标准值，设计时应予以加强。

6 结 论

本文介绍了某带强连接钢连廊高层建筑结构抗震性能化设计与分析，获得的主要结论如下：

（1） 针对建筑高度较低且采用强连接体的连体高层建筑结构，解决其层间刚度突变问题，可通过在非强连接体连接范围楼层增设剪力墙，强连接体范围楼层仅布置框架柱实现。

（2） 采用本文针对构件间断的加强措施后，作为关键构件的“强连接钢连廊”始终处于无损坏状态，同时钢连廊与塔楼间的刚性连接可靠，可以有效协调塔楼间的变形。

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