城镇连体建筑设计计划

［择要］ 先容了福州市东部新城商务办公中央区C，D 座塔楼及超大跨连体构造设计，并分别从构件内力、截面、连体刚度、经济性，整体折衷性等多方面，比拟剖析了底部支承方案、底承顶吊方案、整体空腹桁架方案及整体支承方案四种连体设计方案，提出“巨型双腹板H 形截面构件”的连体构造设计观点，选择合理的连体构造形式，为类似构造设计供应参考。

［关键词］ 超大跨连体; 方案选型; 整体支承; 巨型双腹板H 形截面构件

福州市东部新城商务办公中央区，位于福州东部新城南江滨路以北、鼓山大桥以西，分东、西两地块。
西地块为商务办公中央主功能区，整体建筑群地上部分共分为4 幢构造单体，分别为AB，CD，EF，GH 座，地下室为两层的整体大底盘，总建筑面积337 028m2。
本文紧张先容CD 座，AB 座详见文献［1］。
CD 座由C 座办公楼、D 座办公楼和C，D 座之间的大跨连体组成。
CD 座办公楼建筑效果图见图1。
由于塔楼角部内收，连体跨度63. 30 ～ 75. 60m不等，连体构造总长210. 00m。
C 座塔楼与D 座塔楼对称，塔楼长73. 50m，宽25. 20m，柱网尺寸8. 40m×8. 40m，构造高度57. 60m，地上14 层，地下2 层。
地下2 层层高3. 60m，地下1 层层高5. 20m，首层层高

图1 CD 座办公楼建筑效果图

2. 80m，紧张用于自行车库，2层层高6. 00m，2 层以上各层层高4. 00m。
建筑平面图见图2。

图2 建筑平面图

CD 座长宽比为8. 333，整体打算中，层间位移频年夜于1. 2，小于1. 4，为旋转不规则构造; 由于存在高位大跨连体，造成竖向构件间断; 连体下一层受剪承载力小于上一层的80%，造成承载力突变［2］。
综上，本项目为抗震超限工程，2010 年9 月通过了福建省住建厅组织的抗震超限审查。

本工程建筑构造安全等级二级; 主体构造设计利用年限50 年; 抗震设防烈度7 度，设计基本地震加速度0. 10g，设计分组第二组，园地种别Ⅲ类，抗震设防种别丙类［3］。
基本风压: 设计基准期为50 年基本风压0. 70kN/m2，设计基准期为100 年基本风压0. 85kN/m2 ; 气温: 冬夏极度温度分别为－ 5，45℃［4］。

从构造合理和经济的角度考虑，塔楼构造采取框架-剪力墙构造体系，在建筑的楼梯、电梯间支配核心筒或剪力墙，别的办公区支配框架柱。
为了减轻构造自重，连体部分采取钢构造，通过型钢梁与塔楼核心筒刚性连接。
连体部分楼盖采取轻质混凝土。
2 层地下室顶板及1 层地下室顶板除上部有塔楼部分外均采取无梁楼盖体系，上部有塔楼的1 层地下室顶板采取梁板楼盖体系，1 层地下室顶板为上部构造的嵌固端。

3. 1 构造的性能化目标

静力荷载( 包括风荷载) 浸染下，所有构件均处于弹性; 小震浸染下，所有构件、节点均处于弹性; 中震浸染下，连体及与连体直接干系的所有构件不屈服，连体支座节点弹性; 大震浸染下，钢构件产生少量第一阶段塑性铰，紧张抗侧力构件不屈服，经修复后可利用，连体支座节点不屈服，构造最大层间位移角小于1 /120。

3. 2 针对性观点设计及布局方法

3. 2. 1 平面不规则

调度剪力墙及洞口的支配，只管即便降落构造旋转周期比至0. 8 旁边，增大构造的抗扭刚度，减小构造在地震浸染下的旋转效应; 增加Y 向的抗侧力构件支配，使得两个方向的抗侧刚度同等; 加强底层桁架层和顶层桁架层，同时加强桁架之间的支撑，担保连体部分的抗扭刚度。
地下室1 层顶板采取200mm厚现浇混凝土楼板，采取双层双向配筋，并担保配筋率不小于0. 25%。

3. 2. 2 连体竖向构件间断及抗剪承载力突变

连体支座节点按中震弹性、大震不屈服设计; 所有连体及边缘构件( 支承连体的剪力墙) 按照中震不屈服设计; 连体部分通过型钢梁与塔楼连接; 连体底层及顶层设置水平支撑，现浇楼板板厚为150mm，配筋采取双层双向钢筋网，且配筋率不小于0. 25%; 经打算，2，10 层为懦弱层，层间地震剪力放大1. 15 倍，框架柱箍筋全高加密; 与连体干系构件抗震等级提高一级; 采取轻质混凝土楼板降落连体部分自重，减小地震浸染。

3. 2. 3 超长构造

采取60d 的混凝土实测强度作为掌握强度，强度值不大于设计强度的1. 2 倍。
顶层顶板混凝土采取矿渣水泥( 水化热低) 以减少水泥用量，水泥用量不宜大于550kg /m3，并掺加50%水泥用量的复合矿物质掺合料( 粉煤灰和矿渣粉) ; 粗骨料含泥量不大于1%，并掌握细骨料含泥量不大于1. 5%。
掌握混凝土坍落度( 100 ± 20) mm，采取较小的水胶比( 不宜大于0. 55) 。
拆模后混凝土周围相对湿度达到80%，应掌握浇筑后混凝土的内外温差不超过25℃。
后浇带应低温合拢，在后浇带混凝土中掺入适量的膨胀剂( 掺量为水泥用量的10%) ，使其膨胀值大于混凝土后期紧缩值，担保混凝土不开裂，且应低温养护。
在顶板和底板中增加温度配筋，并采取双层双向配筋。

C，D 座之间的3 层连体层高分别为4，4，8m，宽度为20m。
根据柱网支配，连体由4 榀桁架组成。
由于建筑立面的须要，4榀桁架跨度不等，最北端边榀桁架跨度为71. 30m，别的3 榀为63. 30m。
建筑不肯望在连体的南北立面涌现斜向构件，因此南北两侧的边榀桁架不能支配斜腹杆。
同时，须要在连体3 层中部支配一个高8m、尺寸25. 2m × 14. 1m 的大厅，且个中央两榀桁架的跨中部位不能支配柱，以免影响桁架的整体性，这给构造设计增加了难度。

由于连体和塔楼刚性连接，连体不仅须要承受自身荷载，知足建筑利用功能，还须要具有较大的整体刚度以折衷两侧塔楼整体变形，否则将会造成两侧塔楼变形不折衷、相对位移过大等情形。
同时连体设计还需综合考虑建筑外不雅观、材料用量、施工便捷性等成分。
连体的选型与设计是综合考虑诸多要素的过程。

针对本工程的特点，选取4 种连体形式建立力学模型进行打算，通过对各方案的比拟剖析，得到最佳连体构造形式，为类似工程供应参考。

4. 1 四种连体方案

方案A 为底部支承方案，构件支配见图3。
连体由4 榀纵向桁架、8 榀横向桁架组成。
连体底部两层为8m 高的空间正交桁架构造层，承受其上部构造传来的荷载，并供应刚度折衷两侧塔楼的变形。
由于斜腹杆较多，构造层内部的房间支配会受到一定影响。

方案B 为底承顶吊方案，构件支配见图4。
在连体顶部和底部各设置一层3m 高的正交桁架构造层，由顶部和底部的构造层共同承担连体自身荷载、折衷塔楼变形。
由于受力构件紧张支配在连体的顶部和底部，连体层范围内没有斜腹杆，此方案能为建筑利用供应较好的空间。

方案C 为整体空腹桁架方案，构件支配见图5。
由4 榀空腹桁架组成连体，共同受力。
考虑到连体

两端靠近支座处型钢柱承受的弯矩和轴力较大，连体两端的型钢柱适当加密，间距由8. 4m 变为4. 2m。
方案C 全体连体没有斜腹杆，能为建筑利用供应较好的空间，同时连体顶部和底部没有构造层，能有更好的建筑外不雅观效果。

方案D 为整体支承方案，构件支配如图6 所示。
此方案的思路是把连体作为一个整体来考虑。
在连体顶部和底部分别支配2m 高的构造层，用于抵抗竖向荷载。
此方案连体可以等效为一个实腹构件，相称于“巨型双腹板H 形截面”，等效后构件示意图如图7 所示。
顶部和底部构造层相称于构件的

图7 等效构件示意图

翼缘，竖向桁架相称于构件的两块腹板。
双腹板形

式不仅能提高构件的竖向刚度，对抗扭刚度的提高也有很大帮助。
内侧两榀竖向桁架，在建筑可行的地方，全部加上斜撑，同时在桁架的平面外方向加上斜撑，用于抵抗水平荷载，增加构造的刚度。
但由于斜腹杆较多，此方案会在一定程度上影响建筑的利用功能。

4. 2 构件内力及截面

图8、图9 为各方案在恒荷载+ 活荷载浸染下北侧第二榀纵向桁架轴力和弯矩示意图。
表1 为各方案构件最大截面。
从图8、图9 可知，方案A 紧张由底部构造层受力。
由于南北两侧边榀纵向桁架不能支配斜腹杆，刚度较弱，连体自身荷载紧张由刚度较强的中间两榀纵向桁架来承担。
边榀纵向桁架的荷载通过横向桁架传到中间两榀纵向桁架上，再由中间两榀纵向桁架通报给两侧塔楼。
以是中间两榀纵向桁架的底部构造层承受了大部分连体荷载，这两榀桁架支座附近构件内力较大，梁端弯矩为8 010kN·m，斜腹杆轴力达10 493kN。
相应的构件截面也较大，连体端部梁高1. 40m，斜腹杆高0. 75m，相对付4. 00m的层高来说，梁和斜腹杆的高度已经影响到了建筑利用功能。
由于连体3 层跨中不能支配柱，该处顶梁跨度达25. 20m，梁截面所需尺寸也较大。

方案B 与方案A 的差异在于底部构造层减少为一层，同时在顶部增加一层构造层，由底部和顶部两个构造层共同承担连体荷载，形成底承顶吊的受力模式。
但是由于顶部和底部构造层的边界条件不相同，造成两构造层的刚度不等。
受此影响，连体只在间隔支座较远的中间部分形成底承顶吊的传力模式。
在连体端部，荷载通报路径并不清晰，一方面，荷载直接通过与塔楼相连的梁通报给塔楼，另一方面，由于上部构造层的支座刚度小、下部构造层的支座刚度大，荷载有从上向下通报的规律，由刚度较大的底部构造层承受顶部传来的荷载。
因此底部构造层的梁端弯矩较大，为8 439kN·m，斜腹杆轴力为8 648kN。
连体端部梁高1. 60m，斜腹杆高0. 70m，也会影响到室内利用功能。
与方案A 不同的是，由于连体顶部支配了却构层，连体3 层的大跨荷载不由单根

图8 北侧第二榀纵向桁架轴力示意图

图9 北侧第二榀纵向桁架弯矩示意图

梁承受，而是由桁架承受，受力形式好于方案A。

方案C 为空腹桁架构造，由于没有斜腹杆，梁承受的剪力较大。
支座附近梁剪力达3 354kN，梁剪力从跨中向支座逐步递增，跨中部位梁剪力最小。
梁和柱子的弯矩也有类似的规律。
方案C 端部梁弯矩为7 056. 1kN·m，拉力为3 477kN，因此连体端部梁和柱的截面也相对较大，端部梁截面高1. 40m，影响建筑利用功能。
同时，连体3 层顶大跨部位仍旧存在与方案A 同样的问题。

方案D 连体端部斜腹杆轴力为6 150kN，梁端最大弯矩为1 965kN·m，构件内力比前三种方案小很多。
可见方案D 整体性较好，所有杆件的受力较为均衡，杆件承载力都得到了充分发挥。
连体杆件的截面也较小，端部梁高为0. 80m，对建筑利用功能影响较小。
为实现连体与塔楼的刚性连接，连体与两侧塔楼连接处的框架柱采取钢骨混凝土柱，连体的型钢梁延伸入塔楼一跨，与混凝土柱中的钢骨混凝土柱刚接。
方案A，B，C 钢梁高为1. 50m 旁边，截面太大，给钢骨混凝土梁、柱的节点设计带来较大的困难，方案D 梁截面较小，比较之下更有利于节点设计。

综合来看，方案D 传力路径清晰，构件截面较小，优于其他三种方案。

4. 3 连体竖向刚度及抗扭刚度

各方案的紧张打算参数及结果见表2。
由表2可知，各方案的构件最大应力比和挠度都知足规范哀求。
方案A 的竖向刚度紧张由底部两层构造层供应，连体3 层对竖向刚度贡献较少，以是方案A连体的竖向刚度并不大，挠度为L /609; 方案B 具有顶部和底部两个构造层，整体竖向刚度比方案A好，挠度为L /1 266; 方案C 没有斜腹杆，竖向刚度较弱，挠度也较大，为L /772; 方案D 整体性较好，顶部和底部两个构造层相称于连体的翼缘，中间两榀纵向桁架相称于连体的腹板，竖向刚度较好，挠度为L /1 623，在四种方案中最小。

从连体振型来看，四种方案连体的第1 阶振型都为竖向振动，第2 阶振型都为旋转振型。
与挠度一样，竖向振型的周期大小也是竖向刚度的表示。
方案D 竖向振型周期最小，可见方案D 的竖向刚度最大，这与通过挠度比拟得到的结论同等。

方案A 和方案C 的旋转周期最大，抗扭刚度最弱。
方案B 刚度集中在顶部和底部，中间部分刚度较小，这种刚度分布对抗扭有利，以是方案B 的抗扭周期小于方案A 和方案C。
方案D 高下两个构造层作为翼缘、中间两榀纵向桁架作为双腹板的支配形式能为连体供应更大的抗扭刚度，旋转周期最小，抗扭性能好于前三种方案。

当旋转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期靠近时，由于振动耦联的影响，构造的旋转效应会明显增大，以是该当掌握构造的旋转周期比Tt /T1，使构造具有必要的抗扭刚度。
四种方案都知足规范对旋转周期比的哀求。
方案A 和方案D 的Tt /T1为0. 78，方案B 为0. 73，方案B 发生耦联振动的可能性最小。

根据《高层建筑混凝土构造技能规程》( JGJ 3—2002) ［2］哀求，楼盖构造的竖向振动频率不宜小于3Hz，以担保构造具有适宜的舒适度。
方案D 竖向振动频率为3. 7Hz，舒适度符合规范哀求。
前三种方案连体竖向振动频率均小于3Hz，还需进一步采纳方法使之知足哀求。
从连体的竖向刚度及抗扭刚度来看，方案D 最好。

4. 4 经济性比较

从用钢量来看，方案D 最小，用钢量为1 010t;方案A 次之，为1 210t; 方案C 为1 610t，经济性能最差，用钢量偏大。
从经济角度考虑，方案D 优于其他三种方案。

4. 5 连体整体折衷性能比拟

C，D 座整体构造在各方案下的紧张振型见表3。
通过表3 整体构造动力特性可知，不同连体方案对整体构造刚度影响不大，但前十阶振型上钩划A、方案C 均涌现局部振型，如图10 所示。
方案A 第5阶振型参与质量系数为0． 35%，第8 阶振型参与质量系数为0． 03%; 方案C 第9 阶也涌现局部振型，振型参与质量系数为0． 02%。
解释方案A，C 整体

图10 各方案部分振型图

图11 楼板内力云图/( kN/m)

性不好，整体折衷能力比较差，方案B，D 整体性能较好。

同时，由于方案B 和方案C 没有支配层间斜撑，各楼层抗侧刚度变革不大，沿高度方向不存在薄弱层。
方案A 和方案D 由于支配层间斜撑，在有斜撑的地方楼层刚度突变，沿高度方向存在薄弱层。
设计中应只管即便使构造侧向刚度逐渐均匀变革，避免薄弱层的涌现。

4. 6 温度浸染下构造内力

由于构造超长，达210m 旁边，温度应力不能忽略，一方面采取相应的布局方法，加强屋面及外墙保温; 屋面板内增加预应力钢筋，板上部配筋采取双向钢筋网; 施工留后浇带以开释水泥水化热造成的应力; 采取微膨胀混凝土。
另一方面，必须定量打算温度浸染产生的内力，并与其他荷载工况组合进行构件设计。
根据福州市当地的情形，构造初始温度取为15℃，最高温度取为45℃，最低温度取为－ 5℃，即构造实际温度浸染为升温30℃，降温20℃。
图11 为温度浸染下楼板的内力云图。

从楼板在温度浸染下的内力云图可以看出，升温工况下，屋顶连体部分为拉力，别的部分为压力，最大拉力为256kN/m，最大压力为1 669kN/m，涌如今连体边缘的剪力墙上; 降温工况下，连体部分为压力，别的为拉力，最大拉力涌如今靠近连体的剪力墙上。
根据上述结果，仅考虑温度浸染时，板配筋达到853mm2 /m( HＲB335 钢筋) 即可知足哀求，若按双层配筋打算，实际温度配筋为 10@ 150。
从上述内力分布规律也可以看出，被剪力墙约束的部位及边缘的部位由于累积浸染，温度引起的内力较大，应加强配筋。

( 1) 刚性连接的连体不仅须要承受自身荷载，知足建筑所需利用功能，还应具有较大的整体刚度以折衷两侧塔楼整体变形。
连体设计同时还需考虑建筑外不雅观、材料用量、施工便捷性等成分，连体的选型与设计是对诸多要素综合考虑的过程。

( 2) 连体设计应做到传力路径清晰，连体传力路径含混不清不便于连体设计。

( 3) 本工程通过对四种连体方案的比拟，提出“巨型双腹板H 形截面构件”的观点，办理了连体刚度、抗旋转、强度、可实现性等多方面的问题，为相似大跨连体工程供应参考。

［1 ］ 崔娟，杨霄，蒋炳丽，等． 连体构造中连体桁架选型和幕墙索网的地震相应剖析［J］． 建筑构造，2018，48( 24) : 41-46．

［2 ］ 高层建筑混凝土构造技能规程: JGJ 3—2002［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2002．

［3 ］ 建筑抗震设计规范: GB 50011—2001［S］． 2008 年版．北京: 中国建筑工业出版社，2008．

［4 ］ 建筑构造荷载规范: GB 50009—2001［S］． 2006 年版．北京: 中国建筑工业出版社，2006．

注：本文转载自建筑构造《某超大跨连体构造设计》作者：杨霄， 蒋炳丽， 王力， 李恺靖，仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！