大跨度连体结构设计要点

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  摘要:以空间桁架模型来分析某项目,并对结构构件自由度的基本理论深入理解并且灵活运用,布置新型支座来实现架空的连廊与主体结构的三维空间柔性连接,既满足结构承载力及变形的要求,又节省了建筑空间,更好的实现了方案效果。
  关键词:大跨度;连廊;空间柔性连接;支座;空间桁架
  1.引言
  高层建筑形式日趋多样化,一种新型的结构形式——多塔连体高层建筑被越来越多地采用,一方面,连体可以方便两塔楼之间的联系,用做观光走廊或休闲咖啡厅等;另一方面由于连体的设置,可以使建筑外观更具特色,营造出一种更加和谐的建筑氛围。
  如何高效、准确地对复杂高层多塔楼连体结构体系进行分析和设计,并在此基础上评价多塔楼连体结构的抗震性能,已成为一个急待解决的重要课题。
  2.连体结构
  连体结构因为通过连接体将不同的结构连在一起,体型比一般结构要复杂,因此连体结构的受力比一般单体结构或多塔楼结构更复杂,结构设计应着重视以下几方面的问题[1]。
  (1)扭转效应明显
  较之其他体型结构,连体结构扭转振动变形较大,扭转效应较明显,应引起重视。
  当风或地震作用时,结构除产生平动变形外,还会产生扭转变形,扭转效应随两塔楼不对称性的增加而加剧,即使对于对称双塔楼连体結构,由于连接体楼板变形,两塔楼除有同向的平动外,还很有可能产生两塔楼的相向运动,该振动形态是与整体结构的扭转振型耦合在一起的。实际工程中,由于地震在不同塔楼之间的振动差异是存在的,两塔楼的相向运动和振动形态极有可能发生响应,此时连体部分结构受力很不利。
  对多塔连体结构,因体型更为复杂,振动形态也将更复杂,扭转效应应更加明显。
  (2)连接体部分受力复杂
  连接体部分是连体结构的关键部位,其受力较复杂。连接体部分一方面要协调两侧结构的变形,在水平荷载作用下承受较大的内力,另一方面当本身跨度较大时,除竖向荷载作用外,竖向地震作用影响也明显。
  (3)连接体两端结构的连接方式
  连接体结构与两侧塔楼的支座连接是连体结构的另一类关键问题,如处理不当结构安全将难以保证。连接处理方式一般根据建筑方案与布置来确定,可以有刚性连接、铰接、滑动连接等,每种连接方式的处理方式不同,也影响着连体结构分析设计的方式,本文将做主要分析。
  2.1 设计要点
  连体结构属复杂结构体系,规范对此类结构的设计也有更高的要求。
  根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010),结构体系应符合下列各项要求:
  1)应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。
  2)应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。
  3)应具备必要的抗震承载力,良好的变形能力和消耗地震能量的能力。
  4)对可能出现的薄弱部位,应采取措施提高其抗震能力。
  根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010),在结构整体计算中,转换层结构、加强层结构、连体结构、竖向收进结构(含多塔楼结构),应选用合适的计算模型进行分析。在整体计算中对转换层、加强层、连接体等做简化处理的,宜对其局部进行更细致的补充计算分析。
  2.2 连接方案及实例
  2.2.1 塔楼两边悬挑
  此种方法用于连接体跨度较小时,采用连接体中间设抗震缝,由塔楼两边悬挑的方式来处理。此种连接方式概念最为明确,分析最简单,但受连接体跨度影响较大,应用受到限制。
  2.2.2 强连接方式
  当连接体与两端塔楼刚接或铰接时,连接体可与塔楼整体协调,共同受力,此时连接体除承受重力荷载外,更主要的是要协调连接体两端的变形及振动所产生的作用效应。一般情况下,连接体同塔楼的连接处受力较大,构造处理较复杂,选择合适的连接体刚度、结构形式及支座处的构造处理非常重要。
  2.2.3 弱连接方式
  当连接体本身的刚度较弱时,即使做成刚性连接,它也不能起到协调两塔楼变形的作用,这时应当考虑做成滑动连接的形式。滑动连接可以是连廊一端与塔楼铰接,一端滑动连接,也可以两端均做成滑动支座。采用这种连接方式,连廊的受力将会比较小,但是这时连廊已经不能再协调塔楼间的共同工作,塔楼和连廊均单独受力,整个连廊结构仅仅是形式上的“连廊结构”。
  3、高层结构体系设计方法
  ⑴高层多塔楼、高位悬挑及连体结构形式独特,我国目前还没有制定出相应的设计规范或规程,因此课题组结合具体工程情况,在理论分析和概念设计的基础上,注重结构体系、设计关键技术以及构造方法的研究,初步探讨了高层多塔楼、高位悬挑及连体结构的设计方法。
  4、大悬挑的结构设计方法及施工
  ⑴主要问题。悬挑结构是结构的上部体型大于下部体型,也属于竖向不规则结构。概况来说,悬挑结构会给主体结构的设计带来以下几个问题:①易于形成薄弱层。带有悬挑的上部结构层刚度往往大于下部结构,因而往往不能满足规范对结构竖向规则性的要求。②高振型影响大。由于上部结构质量大于下部结构,因而造成高振型的地震作用加大。③加大扭转效应。悬挑结构的质量大,会造成附加的质量偏心,因而将对主体结构造成附加的扭转效应。④竖向地震效应。悬挑结构的竖向地震效应十分明显,且悬挑尺度越大,效应越明显,设计中必须加以考虑。⑤高位悬挑楼钢结构安装问题。高位悬挑楼结构为纯钢结构,与之相连的塔楼为劲性混凝土结构,加之悬挑楼位于塔楼的上部,悬挑楼钢结构的安装须在主体结构混凝土强度达到设计强度方可进行,悬挑楼挑出的长度大、宽度宽、距地高度高,因此悬挑楼钢结构的安装成为结构施工面临的一个新课题。⑥高位大悬挑结构底层楼板模架支撑系统和安全防护问题。挑楼与塔楼非连接的三面因建筑外观需要,钢结构的钢梁需要用混凝土包裹,混凝土结构施工的模架体系和安全防护成为施工研究的课题。
  参考文献:
  [1]徐培福,黄小坤,容柏生,等.JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
  [2]黄世敏,王亚勇,丁洁民,等.GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
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