带多连体的复杂高层结构设计探讨

带多连体的复杂高层结构设计探讨

征万荣

盐城市建筑设计研究院有限公司  江苏 盐城  224000

摘要：本文将以某超限高层建筑结构为例，结合此建筑主楼结构特征，分别从转换结构设计、横置H型钢应用以及架构加强措施等角度对带多连体的复杂高层结构设计进行分析探讨。

关键词：多连体结构；复杂高层结构；转换桁架

前言：

随着社会经济的持续发展，如今异形不规则结构建筑数量也在持续增加，相关建筑结构虽然具有较强的美观性和功能性，但同时也为建筑结构设计带来严峻挑战。据此，针对带多连体的复杂高层结构，提出一种建筑结构性能保障措施，以实现所设定的性能目标，旨在为后续带多连体复杂高层建筑结构的设计提供参考。

1 工程概况

某超限高层建筑主要包括地上和地下两部分，其中地上部分由两幢22层，高94.2米的框架—剪力墙建筑共同组成，主要作为生产用房、数据中心以及会议室；地下部分为三层地下空间，主要作为地下车库和建筑相关设施用房。建筑总用地面积和建筑面积分别为24500m2和119500m2。该建筑的22层主楼平面采用直角三角形布置，其中两直角边长度分别为100m和60m整体平面形状较不规则，中部区域存在两个连体结构，并且两连体结构存在较大差异，再加上建筑存在个别穿层柱、大开洞等不规则形状，使得建筑整体结构极不规则，最终类别确定为特别不规则建筑。

图1 某超限高层结构建筑示意图

2 带多连体的复杂高层结构设计

2.1 转换结构设计

该超限高层建筑结构的主楼采用框架剪力墙结构体系，即在楼梯、设备间等区域设置闭合式剪力墙，在外部框架柱区域设置边框剪力墙。由于主楼为多连体结构，所以为减轻建筑自重，方便后续建筑施工，拟采用钢结构-钢筋桁架楼承板；连接体与主楼之间采用钢混结构，转换结构则采用平面钢桁架；连接体之间的中庭区域与两侧钢框架之间采用单向钢梁进行连接。

转换结构平面中部北侧设置有6层通高大堂，为保障通高大堂的实际采光效果，此区域将不设置竖向构件；转换结构平面中部南侧为室外车道，为保障通行效果，其区域也不设置竖向构件。由此形成连体转换结构，具体连接体跨度为36m，主要采用平面钢桁架，转换结构北侧连接体采用3榀桁架，南侧连接体采用2榀桁架。另外，由于转换结构平面上的第二中庭区域需要设置大型会议室，使得建筑第2榀桁架和第3榀桁架之间存在钢框架中断情况，所以需要将此区域的上下连接体结构进行彻底隔开，保障结构体受力传递的清晰明确。

该项目由于建筑功能需求，更设有8处转换桁架，为在保障结构受力性能的情况下，根据连接体层数和使用载荷的差异性，合理设置不同的连接桁架形式，由此来保证建筑整体安全性与经济型。具体设计中采用两种连接桁架形式，分别为“V”型桁架和“X”型桁架。其中“V”型桁架主要适用于连接体层数低于5层的连接桁架结构，该区域主要作为小型会议室、办公室等多种轻办公区域，“X”型桁架则适用于连接体层数高于5层的连接桁架结构，相关区域的使用载荷相对较大。

转换桁架作为主楼的关键结构件，其在设计中不仅需要提高一级抗震等级，还需要考虑竖向地震作用对建筑结构的影响。因此，在设计中除了需要根据中震弹性对转换桁架的受力性能进行综合设计分析以外，还需要采用仿真模拟等多元化方式对转换桁架的设计成效进行综合校验，避免单一检验方式所导致的设计质量问题。另外，为检验转换桁架结构水平构件的轴向力，还需要在仿真模拟中将桁架层楼板厚度设定为0，并将楼板视作为弹性楼板，结合楼板恒载情况综合考虑楼板自重。

2.2 横置H型钢的应用及设计

由于建筑为多连体结构，并且建筑连体结构载荷较大，为保障建筑稳定性及安全性，所以在设计中借鉴桥梁工程中较为常用的横置H型钢结构进行建筑多连体结构节点设计。相对来说，普通H型钢的截面、翼缘以及腹板厚度均相对较大，难以满足本建筑结构设计要求。具体来说，普通H型钢在结构应力较大时，通常需要增加翼缘厚度和宽度来实现应力调整。但在本建筑工程中，若是调整后翼缘宽度较大，将会导致连接桁架两端的柱体内置型钢截面受到影响。此外，在连接桁架内力较大情况下，普通H型钢在与劲性柱内置型钢护板连接后，极易出现内置型钢层状撕裂情况。

综合分析来说，横置H型钢可根据连接结构通道要求合理设置护板高度及尺寸，并且同一榀桁架只需要确保横置H型钢的腹板高度保持一致，便可以在设计中根据翼缘宽度和厚度来合理调整结构构件轴力；其次，横置H型钢在应用中将会与连接体结构的劲性柱内置型钢相互焊接，并且焊接方式为平面内焊接，在后续应用中不会出现内置型钢层状撕裂情况；最后，横置H型钢受力传递主要通过翼缘来实现。在具体应用中，可对连接体节点处的翼缘板进行整体切割处理，有效降低连接体节点应力集中问题，使得连接体节点可采用简单结构，主要结构均可在工厂内预制化加工，现场安装仅需对节点外部分进行全焊接拼接便可。

具体设计中，可将横置H型钢的腹板高度与转换桁架腹板高度保持一致，由此便可以实现横置H型钢翼缘与转换桁架翼缘处于同一平面，如此便可以实现翼缘的厚度相同以及整体切割效果，保证横置H型钢受力传递的连续性。不同之处是由于翼缘板尺寸相对较低，所以需要在翼缘板上设置机械套管来保证型钢混凝土柱箍筋在核心区的兜通效果。

2.3 结构加强措施

该超限高层建筑结构存在多种结构设计难点，如建筑平面不规则、存在多处转换、多处楼板存在大开洞、刚度突变、局部穿层柱等，相关建筑结构设计难点使得建筑上部转换结构区域载荷较大，所以在综合分析后确认改结构为多重复杂超限高层。因此，为保障建筑整体结构性能，除了需要对建筑转换桁架进行性能化设计以外，还需要采取以下加强措施来增强建筑结构整体性能。

第一，建筑转换桁架区域的桁架、柱体以及剪力墙底部加强区域等均需要根据不规则程度等适当提高抗震等级，除此外的剪力墙、框架梁体和柱体等区域则可采用相应抗震等级。具体设计中还需要落实中震弹性、大震不屈服等标准进行具体结构构件设计，而其他区域框架柱则需要采用中震不屈服的标准进行建筑结构设计。

第二，建筑转换桁架区域柱体箍筋则采用“井”字复合箍筋，具体设计中需要将箍筋沿柱体全高进行加密处理。相较于普通框架柱来说，转换桁架主体箍筋配置特征值应增加0.02，并且具体箍筋配筋率应超过1.5%。转换桁架区最小配筋率应根据部分框支剪力墙结构中框支柱要求进行合理设置取值。

第三，建筑连接体嵌固端至第一处转换桁架顶面以上2层区域均应设置为剪力墙加强区域，其他连接体区域所处楼层以及上下层剪力墙则应设置约束边缘构件进行架构加强。

第四，建筑连接体楼板可采用双层双向钢筋网进行结构加强，并且楼板厚度设置为150mm。连接体楼板每层钢筋网的配筋率均应控制在0.25%以上，对于转换层楼板和大开洞区域楼板更需要结合建筑整体应力分析结果进行综合调整，确保相关区域的受力性能能够满足现行标准要求。另外，针对建筑整体应力薄弱区域和大应力区域，也需要进行合理结构调整。

第五，建筑连接桁架的上弦杆和下弦杆均需要内伸一跨，并且内跨框架柱还需要配置有型钢，以此来保证连接桁架与建筑主体结构之间的连接稳定性和可靠性。

第六，在完成建筑结构优化以后，还需要再次采用仿真分析软件对建筑整体应力分布进行仿真分析，尤其是需要对连接桁架进行内力分析。

3 结语

综上所述，本文以某超限高层建筑结构为研究案例，通过对建筑结构设计进行分析研究后，获取以下研究结果：

（1）在带多连体的复杂高层结构设计时，可根据连体转换结构跨度及其使用载荷情况合理选择连接桁架形式。同时，连接桁架作为建筑关键结构，其在设计中必须要进行多层内力复核，避免因计算错误或者仿真错误所引起的设计质量问题。

（2）相较于普通H型钢来说，横置H型钢更适用于带多连体的复杂高层结构设计中，其在应用中可通过调整翼缘宽度和厚度来实现连体结构内力值合理调整的效果。

参考文献：

[1]赵宏康,戴雅萍,陈磊,等.常熟龙腾希尔顿酒店复杂连体超限高层结构设计[J].建筑结构,2022(07):65-72.

[2]汤凯峰.武汉保利关山村K26地块项目四塔多重复杂连体结构设计[J].建筑结构,2020(09):50-57,115.