大连城市经纬复杂结构设计（建筑）
李东方， 王立长， 刘 楠， 邱旭光
（大连市建筑设计研究院有限公司，大连116021）
[摘要] 大连城市经纬项目存在凹凸不规则、部分竖向构件及刚度不连续、楼板开洞等情况，对结构整体性及连接处受力极为不利。为了保证结构的整体性，在两个设备层处加强连接，设备层连接处上下层相关范围采用钢支撑桁架加强。采用SATWE，ETABS，ABAQUS软件对结构进行了弹性和弹塑性分析，分析了结构不规则部位对整体结构的影响，并对结构进行了性能化设计。结果表明，结构性能能够达到预期目标及规范要求。
[关键词] 结构不规则；连接部位；弹塑性分析；性能化设计
中图分类号：TU318 文章编号：1002-848X( 2016) 09-0014-05
1 工程概况
大连城市经纬项目位于大连星海湾金融商务区，毗邻期货大厦、环球金融中心、石油大厦。拟建项目总用地面积9 916m2，总建筑面积160 557m2，其中地上部分建筑面积136 318m2，分为A，B，C塔（图1）。南、北塔地上部分分别为A，B塔，采用框架一核心筒结构体系，层数均为41层，建筑高度为199. 500m，建筑面积均为59 144m2。其中1层为商铺，层高为5. 4m；1层与2层之间为设备管道层，层高2. 1m；2～4l层中15层及31层为设备层，层高为4. 8m，其他楼层均为小开间办公层，层高均为4. 8m，共有办公室1026间。中部为C塔，采用部分框支一剪力墙结构体系，31层，建筑高度为151.45m，总建筑面积为18030m2。其中1层为公建，层高为5. 4m；1层与2层之间为设备管道层，层高2.1m；2~ 31层为办公层，层高为4.8m，共有办公室448间。A，B塔在两侧，C塔在中间，依靠连接构件连接为整体，建筑剖面图见图2。楼面均采用现浇钢筋混凝土梁板体系，其中转换层、加强层楼板厚度为200mm，其他楼层均为120mm；底部典型外墙厚900mm，典型框架柱截面尺寸为1500mm X1500mm(内置十字形型钢，截面为1100mm×350mm×40mm×60mm)。结构首层、标准层、结构体型收进后平面布置图见图3～5。
根据《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)（简称抗规）附录A规定：大连市（沙河口区）抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0. 1g，地震分组为第二组，抗震设防类别为丙类。根据安评报告，该项目场地土为Ⅱ类。
2 结构体系不规则状况
2.1结构平面不规则
结构短边长度为48. 4m，中间收进到18. 45m，平面凹凸尺寸大于相应边长的30%，属于凹凸不规则结构。结构在平面收进部位，即C塔与A，B塔连接处，每3层设置连接楼板，并且结构连接处楼板要求开洞（图6）；其他部位层层设梁，无楼板，对结构整体抗震十分不利。
2.2结构竖向不规则
A，B塔采用框架．核心筒结构体系，建筑高度为199. 5m;C塔采用部分框支一剪力墙结构体系，建筑高度为151. 5m，结构竖向刚度在C塔顶部发生突变，结构形成双塔鞭梢效应。
由于A，B塔与中间C塔结构连接处楼板开洞，为了保证结构整体性，同时使A，B塔结构反应更好地传递到C塔结构上，在A，B塔两个设备层（15层与31层）设置加强构造措施与C塔结构连接，见图7。
C塔在1层顶设置转换梁，转换上部槽形墙结构（图8），造成竖向构件不连续。
3 结构分析
由于本工程超限项目较多，为保证工程安全、经济适用，从结构体系、构件等方面采取增强措施，制订了抗震性能目标，见表1。
3.1计算模型及参数取值
采用SATWE（2010版）、ETABS（9.7.1版）对结构进行建模，计算模型见图9。根据对比(图10)，小震分析时按安评报告参数取值，中震及大震分析时按规范取值。小震和中震时结构阻尼比为0. 05，大震时结构阻尼比为0.07。风荷载计算时，结构整体指标计算时取基本风压为0. 65kN/m2( 50年一遇)，构件设计时按50年一遇基本风压值的1.1倍取值；舒适度计算时取0. 40kN/m2（10年一遇），结构体型系数
=1.5。
3.2反应谱分析
A，B，C塔单独分析时结构比较规则，受力体系比较明确。根据专家审查意见，各单塔楼必须满足各自的抗震承载力要求，具体性能目标见表1，同时A，B，C塔连接成的整体结构也必须满足整体抗震承载力要求。由于A，B塔结构形式、布置及高度均一致，本文仅对A塔进行分析设计。结构设计时按单独塔楼设计工况、整体模型设计工况包络设计。连接部位的设置给各个单塔结构的受力造成了较大的影响，且连接部位本身受力比较复杂，因此有必要研究连接部位对结构受力的影响并分析连接部位的构件。
3.2.1连接部位对整体结构反应的影响
采用SATWE（2010版）软件分别对单体模型和整体模型进行计算，结果表明，小震作用下，单体模型及整体模型各项指标均满足规范要求，结构构件处于弹性状态。其中模型自振周期及地震作用下最大层间位移角见表2。由表2可以看出，单体模型最大层间位移角比整体模型的大，说明连接部位增强了结构的抗侧刚度，使三个塔楼更好地协同工作，共同抵抗侧向荷载。
3.2.2连接部位反应
根据抗震超限审查要求，在三个塔楼各自的承载力均满足中震性能要求的前提下，连接部位的分析模型如下：1）模型一：仅15层和31层（即加强层）楼板相连且连接部位楼板采用零刚度板的连体模型；2）模型二：整体模型，常规设计；3）15层和31层连接加强部位的构件按模型一和模型二包络设计；其他连接部位的构件按模型二进行常规设计，并满足性能化目标要求。
(1)连接部位传递的地震力
连接部位结构布置见图4，小震下模型一、模型二加强层连接部位（图7）传递的地震力见表3。由表3可以看出，相对于模型一，模型二加强层连接部位传递内力减小，因此模型二中构件内力也相应减小，这是因为模型二中结构每3层设置连接楼板、层层设梁，由梁承担了一定比例的连接力。
(2)连接部位构件内力
加强层连接部位构件根据模型一及模型二进行包络设计，中震下构件最大应力比为0.7，满足中震弹性要求；同时弹塑性分析下结构构件也满足中震弹性要求。取加强层上下各一层作为相关范围层（14，16，29层），中震下连接部位处框架梁轴拉力分别为432，466，229kN。因此，相关范围层连接部位框架梁需设置抗拉钢筋或型钢以承受梁内轴向拉力。
3.3弹性动力时程分析
根据抗规要求，采用SATWE软件对结构进行多遇地震下的补充计算。选用两组天然波S0176，S0184和一组适合Ⅱ类场地土的人工波，双向输入，主方向峰值加速度为42cm／s2，次方向峰值加速度为35.7 cm/s2，间隔均为0. 02s．地震动有效持时均大于结构基本自振周期的5倍，结构阻尼比为0. 05。三组地震波平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。分析结果表明，地震波作用下结构底部剪力与振型分解反应谱法计算结果比值在75%~96%之间，均大于振型分解反应谱法的65%；三条地震波作用下所得底部剪力的平均值与振型分解反应谱法计算结果比值为87%，大于振型分解反应谱法的80%，说明所选地震波满足规范要求。
根据弹性动力时程分析结果，得到结构在两个方向的最大层间位移角分别为1/1296和1/1036，均小于规范限值1/610的要求。
3.4大震弹塑性分析
采用ABAQUS软件对结构进行大震弹塑性分析，场地特征周期为0. 45s，水平地震加速度峰值取220gal，双向输入地震波（主次方向峰值加速度比值为0. 85）。
分析结果表明，大震下结构最大层间位移角为1/193，小于规范限值1/100，满足“大震不倒”的抗震性能要求。绝大多数连梁在地震作用下首先进入屈服耗能状态，产生损伤，消耗地震能量从而有效保护了墙肢；大部分剪力墙墙肢损伤程度很小，横向墙的损伤主要出现在加强层上部，纵向墙的损伤主要出现在加强层和加强层上部，结构中剪力墙和连梁的受压损伤见图11。
加强层连接部位构件的应变云图见图12。由图12可以看出，连接部位桁架在大震作用下无损伤，构件满足既定的性能目标要求。
地震动作用下加强层楼板的损伤见图13。由图13可以看出，加强层A，B塔和C塔连接处的楼板损伤较大，需做加强处理。
3.5连接部位节点分析
采用ABAQUS软件对节点进行弹塑性验算，节点构造见图14，应力云图见图15。由图15可以看出，中震作用下，节点域的最大应力为382MPa，主要分布在上弦杆与柱连接部位，但是高应力区很小，大部分节点域应力为160MPa，满足既定中震弹性要求。
4 抗震措施
根据计算分析结果，为了满足结构不规则部位的抗震性能目标，确保结构的安全性，本工程做了以下抗震措施：1）框架柱内设置型钢，保证加强层及其相关范围中震弹性；2）加强层及其相关范围层墙体水平和竖向分布筋最小配筋率均按0. 4%取值，其他部位取0. 3%；3）加强层连接部位采用在两层间设置桁架将单体连接的方法，15层、16层、30层及31层连接部位均设置水平支撑；4）连接部位框架梁内设置抗拉腰筋或抗拉纵筋；5）连接部位楼板双层双向配筋；6）加强层区域顶板、底板配筋设置为双层双向且配筋率增大至0. 4%。
5 结论
(1)大连城市经纬项目A，B塔采用框架一核心筒结构体系，C塔采用部分框支一剪力墙结构体系，结构复杂，属于超限结构，且结构布置十分不规则。通过对结构进行弹性及弹塑性计算分析得出，结构满足各自单塔及整体抗震性能要求。
(2)对结构不规则部位采用性能化设计，且制定了相应的抗震性能目标。对结构不规则部位进行静力弹性、动力弹性及动力弹塑性分析，并根据分析结果采取相应的构造措施。结果表明，结构不规则部位能够满足既定的抗震性能目标和规范要求。
