姑苏衡宇钢构造建筑设计

［择要］ 苏州东方之门为双塔、连体和带加强层及转换层的非对称繁芜高层建筑构造。
剖析了主体构造受力体系和特点，着重先容了连接体构造的打算剖析，提出了针对考虑楼板厚度、掌握双塔沉降差异、防连续性倒塌、考虑施工仿照等成分影响的设计加强方法，如加强单塔刚度和强度、连体刚度形成前的施工顺序的合理建议等。

［关键词］ 繁芜高层; 连体构造; 连体设计

连体构造是繁芜高层建筑中较为范例的类型，常日意义上的连体构造分为弱连接构造和强连接构造，强连接构造大多通过连接体将两栋或多栋塔楼进行刚性连接。
已建成的连体构造中由两个非对称单塔进行刚性连接的超高层建筑并不多见，其连接体部分的设计和剖析尤为主要。
本文将结合作者的工程设计实践，先容非对称刚性连体超高层建筑———苏州“东方之门”构造工程的设计体会。

“东方之门”( 图1) 位于苏州工业园区CBD 轴线的东端，项目总基地面积约2. 4 万m2 ，总建筑面积约45 万m2 ，个中地上建筑面积33. 7 万m2。
工程是由两栋超高层建筑组成的双塔连体建筑，分南、北塔楼和南、北裙房等紧张构造单元，塔楼总高度为281. 1m，裙房总高度约50m，塔楼和裙房之间设防震缝。
南北两栋塔楼地上分别为66 层和60 层，其建筑层高、平面支配和利用荷载都不相同，使两塔楼的构造刚度、构造重量也存在着明显差异。
双塔在顶部230m 高空相连，顶部高度约52m 的连体部分为9 层商用住宅，最顶部是层高达16. 6m 的总统套房。

2. 1 风荷载及地震浸染取值

基本风压取值: 掌握整体构造的抗侧力刚度时，按50 年重现期采取，基本风压为0. 50kN /m2 ; 掌握构造强度时，按100 年重现期采取，基本风压为0. 55 kN /m2 ( 与地震浸染组合) ，风压高度变革系数根据地面粗糙度种别B 类取值。
抗震设防烈度6 度，园地土种别Ⅲ类，设计地震分组第一组，园地特色周期0. 45s。
小震浸染影响系数最大值按安评报告采取，50 年超越概率63% 的水平地震影响系数最大值αmax = 0. 062 ( 阻尼比为5% ) 。
中震打算和大震复核时的地震参数采取《建筑抗震设计规范》( GB 50011—2001) 相应的地震动参数进行设计。

2. 2 根本及地下部分

“东方之门”工程地下5 层，全体基坑深度超过20m，在南北塔楼的地下室中间有地铁车站通过，地铁车站与本项目地下室构造分开。
塔楼桩根本采取桩底后注浆工艺的钻孔贯注桩，根本采取大底板+均匀支配的群桩办法，桩距约3. 0m。

2. 3 上部构造受力体系

塔楼部分构造设计采取钢筋混凝土核心筒-组合构造柱、钢柱和钢梁的稠浊构造受力体系，结合建筑避难层，沿高度方向设置了4 个构造加强层，加强层处的混凝土核心筒四个角部与外围框架之间通过8 榀伸臂桁架相连，伸臂桁架贯通核心筒墙体。
加强层的带状桁架沿外围框架柱设置，构造加强层的设置有效提高了整体构造的抗侧刚度( 图2) ，紧张构造构件截面见表1。

塔楼下部区域的外围框架柱采取钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱，第3 加强层以上区域采取钢柱。
为表示建筑形状楼层逐层变革而形成连体双塔造型，拱形内侧框架柱采取了柱子多次斜向分叉的形式，斜向柱直伸到顶部连体部分的第4 加强层，使连体以上荷载能够更直接有效向下通报，减小了第4构造加强层转换桁架的跨度( 图3) 。

塔楼部分采取工字形钢梁和钢筋桁架楼承板，钢梁腹板与混凝土核心筒通过预埋件连接，打算采取铰接模型。
为知足抗震哀求，与框架柱刚性连接的工字形钢框架梁下翼缘处设置侧向隅撑。

2. 4 顶部连接体设计

为有效地增加顶部刚性连接体的竖向刚度、抗扭刚度和抗侧刚度，主体构造的连接体部分在第4

加强层外边缘分别设置2 榀桁架，并与第4 加强层的其他双向桁架形成有效的构造体系，以确保连接体部分有效事情。

3. 1 超限情形

“东方之门”工程为双塔、连体和带加强层及转换层的繁芜高层建筑构造，塔楼总高度为281. 1m，超过稠浊构造适用的房屋最大高度220m。
双塔在230m 处连成一体，连体部分共9 层; 连体下南、北塔楼层刚度和整体刚度均有差异; 沿高度设置4 个加强层; 230m 的第4 加强层处竖向构件转换，可见因竖向刚度有突变而形成竖向不规则构造。

3. 2 设计对策

针对该高层构造体系的繁芜性，设计采纳以下紧张方法开展事情:

( 1) 选用SATWE，ETABS 和ANSYS 三个不同力学模型的打算软件进行连体构造的整体剖析打算，打算模型假定伸臂桁架加强层和连体桁架层楼板按弹性楼板，别的楼层按刚性楼板考虑。
复核不同模型的打算结果，总体信息知足规范哀求，打算结果靠近［1］。

( 2) 进行多遇地震下弹性时程剖析: 选用3 条天然波和1 条人工仿照的加速度时程曲线，4 条波的峰值加速度为28cm / s2 ，地震波的持续韶光为30s。
打算显示在150m 处振型反应谱法的反应值小于时程剖析的结果，在施工图设计中予以考虑。

( 3) 掌握墙柱轴压比以加强紧张受力构件的承载力: 核心筒剪力墙的轴压比按一级抗震等级的哀求不超过0. 5; 在受力较大的外圈剪力墙中设置型钢混凝土端柱和暗柱，型钢混凝土柱设置在核心筒的四个角部和与框架梁相接的剪力墙中，型钢混凝土的剪力墙可以提高其抗震性能( 抗弯、抗剪承载能力) 、增加延性; 剪力墙在重力荷载代表值浸染下的轴压比知足规范哀求; 钢骨混凝土框架柱的轴压比均掌握在0. 65 以内，特一级框架柱轴压比掌握在0. 6 以内。

( 4) 设置楼面水平支撑: 在柱分叉处的相邻楼层( 图4) 和顶部拱脚的楼层处设置水平支撑并延伸至核心筒，水平支撑承担一部分分叉斜柱在其相邻层产生的水平分力，增强分叉柱层和顶部拱脚层处楼板的水平刚度和强度，提高楼板整体性。

( 5) 制订构造整体性能目标和构造薄弱( 关键)部位的性能目标［2］: 小震浸染下为乙类设防标准，构造知足弹性设计哀求; 中震浸染下，构造全楼( 连梁除外) 承载力按中震弹性设计，并与重现期为100年的风荷载组合进行复核; 大震浸染下，核心筒底部复核大震抗剪承载力，连体及其支撑部位按大震不屈服复核。

( 6) 采取有限元软件建立整体构造剖析模型，剖析构造在多遇和罕遇地震下的弹塑性时程反应，得到构造在地震浸染下的变形、内力和毁坏情形的变革过程。
结果表明，小震情形下，构造构件未涌现破坏; 大震情形下，构造最大层间位移角知足1 /100的限值哀求，构造框架梁柱未涌现毁坏，筒体构件破坏顺序和分布较为合理，能在一定程度上耗散地震输入能量，构造可以知足小震不坏、大震不倒的设防哀求［3］。

( 7) 其他抗震方法: 根据安评报告，地震浸染50年超越概率63% 时地震影响系数最大值为0. 062，

由于本工程属乙类建筑( 重点设防类) ，抗震设防标准按7 度设防哀求的抗震方法进行。
对特殊主要受力构件采纳提高抗震等级等方法予以加强。

4． 1 连接体部分的设计

“东方之门”两塔楼在约230m 高度处连成一体，连体以上共有9 层，总高约52m。
刚性连接体设计和剖析是本工程的主要环节，整体打算结果表明:第1 阶振型以沿横向( Y 向) 同向平动振型为主; 但由于双塔刚度不一致，第2 阶振型涌现旋转分量，为两塔楼的Y 向反向平动; 第3 阶振型是沿纵向( X向) 的平动振型( 图5) ，因此连接体的设计不仅考虑其对单栋塔楼的折衷、约束浸染，还要考虑连接体本身由于双塔变形不折衷而产生的旋转浸染，需采纳方法以提高连接体自身的整体刚度和承载能力。

连接体部分的构造支配采取沿第4 加强层处纵向( X 向) 设置了5 榀空间桁架，外围4 榀边桁架与该层带状桁架相连，由于连体以上的柱网支配与下部柱网不一致，沿X 向的5 榀桁架同时作为转换桁架用于承托连体以上构造重量( 图6 ，7 中桁架1) ;在横向( Y 向) 沿上层柱轴线位置处设置连接桁架，目的是为了提高连接体构造的抗扭承载力，增强整体抗侧刚度( 图6，7中桁架2) 。

连接体部分第4 加强层以上的框架在横向( Y向) 设置柱间支撑形成竖向桁架，增强连体构造中间部位的横向刚度( 图7 中桁架3) ; 连体构造的第4 加强层及相邻层、构造顶层楼板加厚，并在其平面内设置水平斜支撑以增强楼板水平刚度，提高连体构造抗扭能力，折衷双塔的变位( 图6) 。

4． 2 连接体部分打算剖析

在进行整体剖析的同时，为考虑连体刚度形成后单塔变形( 沉降、压缩等) 等诸多成分对其产生的不利影响，对连接体部分进行了重点剖析和研究。

4． 2．1 考虑楼板不同厚度的影响

加强层钢构件设计时，偏于安全，不考虑楼板参与内力分配，但为剖析加强层楼板浸染进行了以轴力为主考虑楼板不同厚度影响的比较。
剖析结果显示: 避难层楼板由于和钢桁架的共同变形将产生较大的应力( 包括拉应力) ，桁架高下弦杆的2 ～ 4 号

4. 2. 2 考虑沉降对连接体的影响

工程南、北塔楼核心筒中央距约100m，两塔楼内边柱间隔约60m，两塔楼的沉降差对在230m 高空相连的连接体桁架将产生较大的影响，部分构件的内力随着沉降差的增大而增大，尤其是连体桁架的上弦杆。
因此掌握建筑物绝对沉降和两栋塔楼的沉降差( 包括根本的沉降和构造竖向压缩变形) 是本工程的关键点，同时受沉降影响较大的杆件哀求有适当的安全储备，不同沉降差的桁架构件应力比柱状图见图9。

施工图设计中考虑到超长桩施工的不愿定性以及沉降差对构造的敏感性等成分，设计采取桩底后注浆工艺的贯注桩，桩直径1 000mm，桩尖持力层是层13，,细粉砂层土，桩长约72m。
经工程前试桩结果可知，单桩承载力设计值可提高至12 000kN。
打算最大沉降值小于100mm，南、北塔楼核心筒打算沉降差小于5mm。

4．2．3 连接体部分防连续性倒塌掌握剖析

首先确定支撑连接体桁架的最敏感构件，并考虑该构件失落效后在垂直荷载浸染下别的构件的内力变革，验算相应构造的承载能力。
按照直不雅观判断，考虑了避难层桁架部分支座，即最中间两个斜柱失落效时的不利状况( 图8 中7，8 号杆失落效) ，桁架最大跨度由17m 变为43． 5m，在垂直荷载浸染下，桁架的内力重分配，导致原来受力较小的杆件内力变大，履历算相应的桁架杆件仍能处于不屈服状态。
表3 为在竖向荷载( 恒荷载+ 活荷载) 浸染下，分别考虑有( 无) 楼板浸染时杆件内力变革情形。

4. 2. 4 考虑施工仿照对连接体刚度的影响

由于本工程为双塔连体的超高层建筑，且双塔顶部在230m 的高空相连，施工的加载顺序和在连体刚度形成以前两栋单塔的变形( 水平、竖向) 都将对顶部9 层连接体产生较大的影响，实际施工工况需与仿照打算工况相结合。
考虑施工仿照影响的打算结果表明: 拱形斜柱和顶部连接体的施工将导致内侧框架柱( X 向) 承担的竖向荷载增加，核心筒和外框架之间的竖向变形差持续增长乃至加速增长，一旦上部连接体形成整体刚度，将会产生不利影响，因此在顶部连接体整体刚度形成前必须使由于竖向恒荷载引起的下部两个单塔的变形趋于稳定。

4．2. 5 加强下部单塔刚度和强度

由于上部连体刚度较大，而支承连接体的两单栋塔楼相对较弱，整体打算剖析表明，会涌现两塔楼相向振动的振型，需采纳必要的方法加强下部单塔。
本工程通过提高紧张受力构件的抗震等级，塔楼从嵌固端至第2 加强层之上两层的竖向抗侧力构件、连接体、加强层及相邻层剪力墙和框架构造构件、支承连接体之间的全体框架柱提高至特一级设计。
墙体约束边缘构件延伸到轴压比为0. 25 和第2 加强层以上两层的较高处。
同时通过性能化抗震设计、多种程序打算比对、弹塑性时程剖析验证等方法开展事情，并进行关键节点的缩尺模型试验，稽核加强层柱与伸臂桁架连接节点在仿照地震的周期性荷载浸染下的滞回曲线、变形能力、毁坏模式、延性特色及其耗能能力，采纳必要的布局方法对连体下部的两单栋塔楼予以加强。

5 结论

( 1) 双塔连体构造设计不同于单栋塔楼的设计，其连接体设计需重点关注提高自身的竖向刚度、抗侧刚度和抗扭刚度，折衷双塔的内力和变形。

( 2) 在顶部连接体整体刚度形成前应使由于竖向恒荷载引起的下部单塔的变形趋于稳定，减少由于恒荷载浸染对连接体构件产生的初始应力。

( 3) 应进行施工仿照剖析，考虑上部连接体未合拢时的最不利状态，构造构件的内力组合应以施工过程完成后的静载内力为初始状态。

( 4) 工程施工中必须采纳合理的顺序，减少紧张抗侧力构件的初始应力。

( 5) 加强下部单塔刚度和强度，在设计中对受力较大的关键构件予以截面和材料性能的加强。

参考文献

［1］ 严敏，张家华，芮明倬，等. 非对称门式双塔连体超高层构造打算剖析［J］． 建筑构造，2008，38( 12) : 84-86．

［2］ 徐培福，傅学怡，王翠坤，等． 繁芜高层建筑构造设计［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，2005．

［3］ 吴晓涵，刘东泽，芮明倬，等． 非对称刚性连体超高层构造弹塑性时程剖析［J］． 建筑构造学报，2010，32( 6) : 1-9．

注：本文转载自-建筑构造《苏州东方之门刚性连体超高层构造设计》，作者-严敏， 李立树， 芮明倬，汪大绥， 黄健，洪小永，仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！