巨型高层建筑结构型式（多塔连体高层建筑连接控制方法研究）
巨型高层建筑结构型式（多塔连体高层建筑连接控制方法研究）为保证连体结构的安全可靠，简化结构体系，连接体与A3 采用滑动连接，与其他塔楼均采用刚性连接［2］。连接体采用钢桁架，下弦面内设置水平支撑，楼板采用桁架楼承板，厚度150mm，上弦平面无楼板。A1 ～ A2 连体平面和典型桁架立面如图2 ～ 4所示。保利未来科技城( 北区) 项目( 简称项目一) 地上由A1～A5 五栋塔楼组成［2］，在96. 7m 高度处( 24层) 通过连接体连为一体，形成多塔连体超高层建筑，如图1 所示。连接体最大跨度49. 84m，宽度43. 5m，主要功能为室外露台、空中跑道等。连体结构通过连接体将两栋或多栋建筑连在一起，体型更为复杂，相应的动力特性也更复杂。由于连接体造成的结构不利影响主要体现在以下方面:1) 连接体给结构增加了额外的质量和刚度，导致结构的扭转效应加大，当连接体两侧塔楼动力特性差异较大时，其扭转效应更大; 2) 连接体部分受力复杂，其一方面要协调
免责声明：本文来自建筑结构《多塔连体高层建筑连接控制方法研究》作者：甄伟， 张磊等
［摘要］ 结合实际工程项目，研究了多塔高位连接体与塔楼之间采用刚性连接、半刚性连接和滑动连接的结构方案。对不同刚度连体的实现方式、连接构造进行了介绍，并研究了在连接体中设置屈曲约束支撑阻尼器，形成半刚性连体的可行性。从连接体刚度、连接构件内力、结构整体抗震性能、连接实现难易程度、结构经济指标等方面，对不同连接方案进行了评估，指出在塔楼自身具有较好结构条件的情况下，采用阻尼耗能装置或者优化连接体构件截面形式，从而合理弱化连接体刚度，减少连接体对塔楼的附加影响是较为合理的解决方案。
［关键词］ 连体; 高层建筑; 抗震性能; 耗能; 柔性连接
0 引言随着现代建筑形体的日趋多样化，连体结构越来越多地出现在高层建筑结构设计中，这类结构中的连接体一般都具有立面位置较高、刚度较小( 多为平台或连廊) 、结构体系多采用钢桁架或大型钢梁等特点。
连体结构通过连接体将两栋或多栋建筑连在一起，体型更为复杂，相应的动力特性也更复杂。由于连接体造成的结构不利影响主要体现在以下方面:1) 连接体给结构增加了额外的质量和刚度，导致结构的扭转效应加大，当连接体两侧塔楼动力特性差异较大时，其扭转效应更大; 2) 连接体部分受力复杂，其一方面要协调两侧结构的变形，竖向和水平荷载都会在其中产生内力作用，另一方面当跨度较大时，竖向地震作用也比较明显; 3) 连接体两端结构连接方式复杂，连接体与两侧塔楼可采用刚性连接、半刚性连接、滑动连接等多种方式，相应地对支承结构的内力影响，以及连接支座构造做法等也有很大差异。
《高规》［1］建议连接体与主体结构采用刚性连接，并与主体部分的内筒可靠连接。但强连接的连体结构受力特性复杂，扭转振型丰富，连接部位容易形成薄弱层，若措施不当，易出现较严重震害。根据上述连体结构的动力特性，对于大多数连接体质量和刚度相对较小的结构体系，比较妥善的解决方案是在保证主体塔楼具有独立、稳定的抗震性能前提下，弱化连接体的刚度，采用半刚性或者滑动连接体，从而降低连接体对主体塔楼的扭转效应。弱连接的连体结构水平方向受力较小，在温度、风荷载以及地震作用下，连接体和两侧主体之间的相互影响小，使得弱连体结构的塔楼动力响应与单体结构基本相当，有可能按照单体分析结果对弱连体结构进行设计，对简化设计流程、降低结构造价均具有良好的效果。
弱化连接体刚度的方式，根据建筑体型的差异，可以采用减弱连接体刚度的半刚性连接体，以及一端铰接一端滑动，或者两端滑动连接的滑动连接等方法，本文将结合两个具体工程项目，初步探讨弱化连接体刚度的控制方法。
保利未来科技城( 北区) 项目( 简称项目一) 地上由A1～A5 五栋塔楼组成［2］，在96. 7m 高度处( 24层) 通过连接体连为一体，形成多塔连体超高层建筑，如图1 所示。连接体最大跨度49. 84m，宽度43. 5m，主要功能为室外露台、空中跑道等。
为保证连体结构的安全可靠，简化结构体系，连接体与A3 采用滑动连接，与其他塔楼均采用刚性连接［2］。连接体采用钢桁架，下弦面内设置水平支撑，楼板采用桁架楼承板，厚度150mm，上弦平面无楼板。A1 ～ A2 连体平面和典型桁架立面如图2 ～ 4所示。
阿里巴巴北京总部项目( 简称项目二) 单个地块由4 个楼座及楼座间穿插布置的连桥共同组成。连桥位于2～5 及7～8 层，标高位于6. 0 ～ 31. 2m( 图5) ，连桥跨度为16. 3～29m，宽度为3. 6～5m，主要功能为楼座间的行走通道。
图6 为连桥结构布置，由4 根顺桥向工字钢主梁及横桥向次梁组成，上覆120mm 厚压型钢板组合楼盖。
图 7 为天窗结构布置，由横跨楼座间的箱形主钢梁及其垂直方向的工字形次梁组成，上覆玻璃幕墙及遮阳系统，无混凝土楼板。
1 连接体刚度强弱方案选择针对上述两个项目的特点，分别研究了采用半刚性连接体和滑动连接的实施方案。
1. 1 半刚性连接体的实现方法
对于项目一，由于连接体面积大、连接面宽、连接体高度大，从建筑和机电运营角度来说，连接支座不具备滑移条件，因此采用整层高桁架将两侧塔楼直接连为一体。通过计算分析发现，连接体桁架弦杆内力构成中，轴向力是由于两侧塔楼相向或相对运动趋势而产生的，可调节余地较小; 弦杆支座位置的局部弯矩较大，对杆件应力比的贡献较大，而局部弯矩的构成中，竖向荷载和地震作用引起的比例基本相当。
基于以上特点，拟减弱连接体刚度，进而减小连接体对塔楼周边构件的影响和弦杆支座局部弯矩，优化连接体桁架杆件截面，达到较好的经济性能。
为了减弱连接体刚度，采用如下两种方案进行比较研究: 1) 将耗能型BＲB 构件应用于连接体桁架的端腹杆，BＲB 在小震下处于弹性状态，中、大震下屈服耗能，从而降低连接体在中、大震下的刚度; 2)连接体桁架支座处上下弦杆采用翼缘削弱构造或宽扁形截面等措施，减小弦杆抗弯刚度和局部弯矩，进而降低连接体刚度［3］。
本文对图8 所示3 种方案进行对比研究，探讨不同连接体刚度对塔楼及其自身的影响。其中，方案二、三中，弱化连接体刚度的做法如图9 所示。
1. 2 滑动连接的实现方法
对于项目二，各栋塔楼之间连桥质量和刚度都比较小，连桥高度较低，在中、大震下，支座滑移量相对较小，因此，有条件采用滑动连接的方式减小连桥对主体结构的影响，并进一步按照单塔分析结果进行结构设计。具体实施过程中，需要重点解决的问题如下: 1) 释放支座刚度后，通过对结构动力特性的评估，确定单塔计算结果工程精度层面的可靠性;2) 地震作用或者风荷载作用下，支座具有一定的复位能力; 3) 在正常使用状态下，支座位移可控，不会给建筑及幕墙等装饰工程带来难以实施的困难。
弱连接支座设计可以很好地释放结构间内力响应，但其代价是随之而来较大的支座位移响应，并且超过一定限度( 支座破坏) ，势必威胁结构的安全，因此在对支座位移进行释放的同时也要对其位移进行控制［4］。罕遇地震作用下滑动支座的最大位移，应小于支座的最大容许位移，同时应小于连桥结构与主塔楼结构防震缝的设置宽度。
常用连接的方法有: 橡胶支座连接，摩擦摆支座连接以及滑移支座 黏滞阻尼器连接等。
橡胶支座除了能承受竖向荷载和实现一定的水平变形外，还能提供较小的一次刚度，可保证连桥( 廊) 在正常使用时变形很小，并通过橡胶提供水平恢复力，同时应用较为普遍，造价较低。
摩擦摆支座具有类似于橡胶隔震支座的隔震效果，除了较高的竖向承载能力、较大的水平位移变形能力外，也具有自动复位能力及阻尼耗能能力。摩擦摆支座构造简单，性能稳定，但该类型支座的加工难度较大，成本较高。
滑移支座 黏滞阻尼器采用速度相关型阻尼器，在风荷载或小震作用下，阻尼器可自由运动以满足正常使用要求，当出现中强震时，阻尼器进入工作状态，产生较大阻尼，减小连桥( 廊) 相对主体结构发生过大水平变形，同时也具有水平限位和防坠落的功能。
本文选取应用较为简便的橡胶支座进行对比研究。
2 半刚性连接体应用研究针对项目一，分别研究了1. 1 节中3 种方案对结构整体动力特性、连接体内力及连接体周边塔楼构件内力的影响。
2. 1 整体动力特性
3 种方案的结构前3 阶振动周期如表1 所示，前3 阶振型均为图10 所示的振动形态。由表1 可知，弦杆采用翼缘削弱型构造或宽扁梁截面后，整体结构振动特性基本一致。说明对于本工程而言，连接体刚度的变化对整体结构刚度影响有限。
2. 2 连接体内力及周边构件损伤
以连接体桁架端部上、下弦杆和端腹杆为例，通过弹性或等效弹性反应谱分析，得到3 种方案的不同性能目标下水平地震单工况杆件内力对比，如表2～4 所示。从表中数据可知，弦杆采用翼缘削弱型构造或宽扁梁截面后，弦杆的轴力和端部弯矩均大幅减小，尤其弦杆采用宽扁形截面( 方案三) 后，弦杆端部弯矩降低至方案一的15%以下。方案一与方案三腹杆轴力基本一致，方案二端腹杆采用BＲB 后，腹杆轴力有明显减小。可见弦杆采用翼缘削弱型构造或宽扁梁截面可以大幅降低杆件的控制内力。
进行罕遇地震作用下的塔楼塑性开展程度研究，可以看到，方案一和方案二在相同地震波作用下，连接体周边核心筒和框架柱损伤如图11，12 所示。对比可知，方案二连接体周边核心筒和框架柱大震下的损伤较方案一均有所改善。
2. 3 经济技术指标
3 种方案连接体桁架构件截面如表5 所示，与方案一相比，方案二的桁架用钢量减少约32%，方案三桁架用钢量减少约29%。
半刚性连接体方案对减小连接体刚度，改善结构经济性能，体现出了良好的效果。综合考虑结构受力可靠性、施工便利性、结构经济性等因素，采用方案三作为实施方案。
3 弱连接体应用研究项目二的连桥、天窗体量较小，两者无法协同楼座间变形，且连桥高度较低，滑动缝的设置对于建筑功能影响很小，因此在各楼层连桥及天窗主梁端部布置橡胶支座，以形成弱连接结构体。所选用支座的水平刚度( 0. 93kN/mm ) 远小于竖向刚度( 2 035kN/mm) ，有效地减小了水平力的传递。支座连接构造做法如图13 所示。
为考察弱连接对楼座性能的影响，分别对小震弹性工况下的带连桥整体模型( 模型一) 以及不带连桥的分塔模型( 模型二) 进行分析，对两者的整体动力特性及连桥和周边构件的内力进行了对比。
3. 1 整体动力特性
对模型1，2 的振型进行对比后发现，各单塔的主要振型均能在两类模型中得到对应呈现，塔楼联合振动的情况不显著。表6 对两类模型的前6 阶自振周期进行了对比，可见其振动模态相同，自振周期最大仅相差0. 01s。
3. 2 连桥内力
对模型一、二的楼层剪力和倾覆力矩进行了对比。从表7，8 对比分析可知，是否带天窗、连桥对楼层剪力的影响小于4%，对大多数楼层倾覆力矩的影响小于4%( 最大为5. 3%) ，说明连桥对主体结构的影响较小。不带连桥模型的楼层剪力和倾覆力矩大于带连桥模型，符合弱连体结构的普遍规律。
3. 3 连桥周边构件内力
提取地震单工况下顶层连桥支座水平力，并将其与支座附近框架柱剪力进行对比，如图15 所示。可见支座水平力为周边穿层柱剪力的1. 3 ～ 1. 4 倍，约为周边非穿层柱剪力的1 /3，说明连桥对周边主体结构构件内力有较大影响，承载力设计时需对相关部位构件进行加强。
( 1) 结合实际工程项目，研究了多塔高位连接体与塔楼之间采用刚性连接、半刚性连接和滑动连接的结构方案，对不同刚度连接体的实现方式、连接构造进行了介绍。结果表明，在塔楼自身具有较好结构条件的情况下，采用半刚性连接体或者弱连接体，从而合理弱化连接体刚度，减少连接体对塔楼的附加影响是较为合理的解决方案。
( 2) 对于连接体与塔楼采用全截面连接的方案，通过弱化连接体刚度，减弱连接体与塔楼的相互影响，减小连接体构件的控制内力，优化构件截面，可达到较好的经济性。
( 3) 对于连接体与塔楼采用滑动连接的方案，通过合理设计滑动支座构造，并采取相应的性能化设计措施后，连接体与塔楼可进行独立设计，需对支座部位进行验算，做好构造加强，可简化设计流程并降低结构造价。
参考文献［1］ 高层建筑混凝土结构技术规程: JGJ 3—2010［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2011．
［2］ 张磊，甄伟，盛平，等． 保利未来科技城北区超高层连体结构设计［J］．建筑结构， 2018， 48( 20) : 30-34．
［3］ 杨青顺，甄伟，解琳琳，等． 耗能伸臂桁架抗震性能的试验研究［J］．工程力学， 2016， 33( 10) : 76-85．
［4］ 徐培福，傅学怡，王翠坤，等．复杂高层建筑结构设计［M］．北京: 中国建筑工业出版社， 2005．
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