中山某产业园连体结构设计
刘春艳，陈 林
（广东省建科建筑设计院有限公司 广州 510500）
中山某产业园位于广东省中山市翠亨新区，地上建筑面积52万m2，总建筑面积64万m2，共18栋单体建筑，主要为生产用房，最高建筑高度为49.55 m，建筑效果如图1 所示。其中，5#楼、13#楼、14#楼、15#楼分缝后L 型生产厂房为超限结构，此4 栋厂房完全相同，以14#塔楼为例进行分析，塔楼地上9 层，地下1 层，标准层建筑层高为4.8 m，建筑高度为46 m，建筑面积约3.3万m2，14#塔楼局部立面如图2所示。
图1 建筑整体效果Fig.1 Overall Rendering of the Building
图2 14#楼局部立面Fig.2 Local Elevations of 14# Building
拟建场地位于中山市，根据《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［1］，本地区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组属第一组，Ⅲ类场地［2］，场地特征周期0.45 s。大震分析特征周期0.50 s，地震作用计算时采用规范值。基本风压为0.7 kN/m2，体型系数1.4［3］。
2.1 结构布置和选型
本工程地下室及塔楼采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙体系，剪力墙主要设置在电梯间及平面对称位置［4］，结构三维模型如图3所示。连体结构：连体跨度25.2 m，宽度25.5 m，连接体与塔楼连接形式一般可分为两类，刚性连接和柔性连接。柔性连接，连接体受力较小；
刚性连接，连接体受力复杂，两侧塔楼需协调变形及受力［5］。本项目结合建筑使用功能需求及结构受力特点，连体结构采用刚性连接，5层采用斜腹杆钢结构桁架，6～9层采用空腹桁架，以适应大跨度的需求。5 层上、下弦杆截面分别为H600×500×20×40 和H700×400×20×40，5 层以上弦杆截面为H400×250×12×24，斜腹杆和直腹杆截面为口450×450×24，连体桁架剖面如图4 所示，连体相关范围（14-E～14-K 轴）楼板厚度为150 mm，上、下弦及腹杆钢材强度等级为Q345。
图3 结构三维模型Fig.3 Structural 3D Model
图4 连体桁架剖面Fig.4 Conjoined Truss Profile（m）
2.2 连体方案对比
钢筋混凝土连接体自重大，连接体底层模板受力大，而钢结构连接体自重小，连接体底层桁架在地面拼装完成后，采用整层吊装，安装完成后再施工连接体的其余几层，施工难度低［5］。本工程先采用型钢混凝土结构和钢结构两种方案进行对比；
连体5 层采用型钢混凝土结构，上弦杆截面为800×400（钢骨H400×200×20×30），下弦杆截面为1 000×700（钢骨H500×300×20×30），斜 腹 杆 和 直 腹 杆 截 面 均 为600×600（H300×300×20×40），5 层以上柱和梁均采用混凝土，柱截面为600×600，梁截面为300×900，结构剖面如图5所示；
钢结构连体5 层上、下弦杆截面分别为H600×500×20×40 和H700×400×20×40，5 层以上弦杆截面为H400×250×12×24，斜腹杆截面均为口500×500×28，直腹杆截面为□450×450×24 结构剖面如图6所示。5层以上型钢混凝土土和钢结构桁架方案对比如表1 所示，可知，混凝土方案最大位移较大，抗剪承载力较小，存在薄弱层且自重较大，采用高支模费用较高，因此选择钢结构方案较为理想，且协调两塔变形能力较好。
表1 计算结果及造价对比Tab.1 Calculation Results and Cost Comparison
图5 混凝土桁架立面Fig.5 Concrete-concrete Truss Elevations
图6 钢结构桁架立面Fig.6 Steel Structure Truss Elevations（m）
连体结构钢桁架的布置方式种类较多［6］，本项目采用三类钢结构桁架方案进行计算对比，如图7所示；
方案A在5层两端采用V型支撑，中间加一根竖腹杆，方案B 采用空腹桁架，此方案一般符合建筑要求，方案C 在5 层采用V 型支撑；
对比3 种方案连体部分及周边支撑梁柱模板图可知，3 种不同方案7～10 层连体部分平面梁板结构布置完全一样，5～6 层转换桁架的布置方式不同，方案A 和方案C 截面基本一样，方案B型周边支撑连体的型钢混凝土柱和连接连体的梁均比其余两种方案截面大；
3 种方案整体计算结果及用钢量对比如表2所示。
表2 钢结构方案比较Tab.2 Comparison of Steel Structure Scheme
图7 3种钢结构桁架布置方案Fig.7 Three Kinds of Steel Structure Truss Layout Scheme
3 种方案的对比结果显示，方案B 用钢量最大，弹性挠度也最大，支撑桁架周边的型钢混凝土柱和梁截面都比较大，一定程度上影响建筑使用功能；
方案C桁架整体刚度最大，由于刚度不均匀导致位移比超过文献［3］限值较多.经比较，方案A的用钢量相对较小，位移比和弹性挠度均在文献［3］的允许范围内，最终选择方案A。
塔楼主屋面高度为46 m，未超过7 度A 级高度框架-剪力墙高层建筑的最大适用高度120 m；
考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，平面凹凸尺寸大于相应边长的30%，相邻层刚度变化大于70%（按《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［7］考虑层高修正时，数值相应调整）或连续3 层变化大于80%，5 层以上连体，存在上述四项目一般不规则，属于超限高层建筑工程。根据塔楼的超限情况、结合其具体结构特点，总体抗震性能目标为C 级，按照《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ 15-92—2013》［8］对本工程进行弹塑性时程分析。
本工程采用PKPM-SAUSAGE 软件进行弹塑性时程分析，时程分析选取1条人工波和2条天然波进行，地震波峰值加速度为220 cm/s2，计算持时20 s。3 个分量峰值加速度采用0°∶90°∶竖向=1.0∶0.85∶0.65。SAUSAG 分析前三周期为2.059（0°），1.816（90°），1.590（扭转），与盈建科的差别分别为7.87%、4.46%和0.25%，SAUSAGE 模型各节阶阵型振动方向与YJK 计算结果一致。性能分析评价如图8、图9 所示，大震性能分析主要结论如下：结构最大弹塑性层间位移角0°方向为1/182，45°主方向最大层间位移角为1/197，90°方向为1/137，满足文献［8］1/125 限值。在三向地震作用下，结构整体刚度的退化没有导致结构倒塌，满足“大震不倒”的设防要求。
图8 梁性能水平评价（大部分混凝土梁构件出现轻微至中度损伤，其他钢结构型钢梁未出现损伤）Fig.8 Evaluation of the Beam Performance Level
图9 连体及连体支承构件性能水平评价情况（连体钢桁架未出现损伤，连体支承梁和支承柱出现轻微至轻度损伤）Fig.9 Connected Supporting Components and Evaluation of the Performance Level
连廊结构在承受和传递竖向力的同时，将水平力传递和分配给两侧的抗侧力构件，协调同一楼层中竖向构件的变形［9］；
采取刚性连接时，结构整体性较好，对连接体及相连区域梁板整体性应着重加强［10］，连接体部分楼板板厚均为150 mm，连体竖向频率3.9 Hz，小于4 Hz，对结构进行人群荷载作用下的动力分析并考察其舒适度。加速度峰值响应为0.033，＜0.050 m/s2，满足限值要求，连体竖向振型如图10所示。
图10 连体竖向振型（频率f=3.9 Hz）Fig.10 Conjoined Vertical Vibration Type（Frequency: f=3.9 Hz）
表4 各工况作用下构件绝对值最大剪力Tab.4 Maximum Absolute Shear Force of the Component under each Working Condition （kN）
为了考察连廊结构关键构件主要受何种工况控制，现将结构中典型的关键构件内力构成摘录列出，如表3～表5 所示，结论如下：①支承柱的轴力、剪力、弯矩主要是受恒载和活载工况控制（占比范围为65%～77%），而温度工况占比范围为5%～27%；
②连廊钢结构杆件，其轴力、弯矩等内力主要受恒载和活载工况控制（合计占比范围为70%～89%），而温度工况占比范围为1%～16%；
③说明连体结构构件的承载力主要由恒载和活载控制，温度对连体结构构件的承载力有一定的影响。
表3 各工况作用下构件绝对值最大轴力Tab.3 Maximum Axial Force of Component under each Condition （kN）
表5 各工况作用下构件绝对值最大弯矩Tab.5 Maximum Absolute Bending Moment of the Component under each Working Condition （kN·m）
钢桁架与塔楼连接节点处，为确保“强节点弱构件”的设计原则，需要对关键部位的节点进行受力性能分析；
通过模拟桁架与型钢混凝土柱相连建立三维有限元实体模型进行计算分析，连接体桁架通过埋在塔楼墙柱内的型钢相连［11］，确保其传力可靠。
6.1 有限元计算模型
节点区内部节点板，厚度取24 mm；
混凝土梁1和梁2 的截面为300 mm×800 mm；
SXG 截面为□600×500×20×40；
XG1截面为□500×500×28×28。取从节点区至相邻节点的距离作为构件长度，在各端部加约束或者荷载。由于荷载对加载端的应力应变在一定范围内有较大的影响，故本计算结果中主要查看的是节点区的型钢应力。节点结构大样图如图11 所示。其中柱混凝土等级为C45，钢筋采用HRB400，斜撑型钢和型钢梁采用Q345钢。
图11 节点模型Fig.11 Node Model Diagram
6.2 计算结果及结论
⑴在静力荷载（D+0.5L）工况下，钢构件最大应力在左侧下部斜撑，其值为145 MPa，各构件均处在弹性工作状态。
⑵最不利地震力组合工况下，梁柱连接处钢筋应力最大为256 MPa，未达到屈服状态。最大MISES应力出现在左侧下部斜撑与柱连接处，最大应力约为256 MPa，应力比为0.74；
左侧钢梁最大应力约为137 MPa，应力比为0.40；
内部型钢最大应力约为119 MPa，应力比为0.35；
各钢构件均在弹性工作阶段内。为节点区钢材未出现屈服，混凝土受压区刚度退化较少，以及斜腹杆的应力最大，节点区的应力较小，节点区域满足不屈服的性能要求。
⑴多层连体结构一般采用钢结构桁架，自重轻，桁架最大弹性挠度小，抗剪承载力比容易满足，且协调两塔楼变形能力较好。
⑵动力弹塑性分析显示在大震下，大部分连梁严重损坏，部分剪力墙出现轻微至中度损坏，说明结构主要由剪力墙和梁构件产生塑性耗能，连体部位按规范要求抗震等级提高一级后能满足性能设计要求。
⑶连体结构主要以承受竖向力为主，温度影响有限，地震力由连体连接部分加厚的楼板传递。
⑷钢桁架和型钢混凝土柱的连接节点在不利地震作用下，混凝土受压区刚度退化较少，节点区的应力较小，节点域满足不屈服的性能要求，安全可靠。
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