新疆时代广场H-office双塔连体结构设计研究
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【摘要】新疆时代广场h-office是由两栋超高层建筑组成的双塔连体结构，采用框架-核心筒结构体系，连接体采用钢桁架体系。本文详细介绍了该结构分析与设计的相关内容，包括主楼的结构选型、连体部分的选型及相关的抗震加强措施；并对本结构在多遇地震下的反应谱分析、弹性时程分析、静力弹塑性分析进行了重点的介绍。分析结果表明，连廊采用强连接刚接设计，连体本身构件及连体结点按大震不屈服设计，连体两侧框架柱取中震不屈服及小震框架特一级计算结果的较大值。
【关键词】超高层建筑超限双塔连体结构弹塑时程分析 静力弹塑性分析
Double -Tower Connected Structure Design And Research of Xinjiang Times Square H-office
Abstract: Xinjiang Times Square H-office is a double -tower connected structure which made oftwo high rise buildings and which is designed as frame core wall structure. Connected structure is designed as steel truss structure. The structural analysis and design are presented including structural systemselection of lateral resistant system of the dual towers ,connected system selection and some special seismic fortification measures;And response spectrum analysis under frequently occurred earthquake action, Elastic time-history analysis and Static elastoplastic analysis are introduced importantly. Analysis results show that corridor is adopted of strongly connected rigid connection design , members and nodes of connected parts are designed under large earthquakes do not yield, side frame columns’design values are adopted larger value of the middle aseismatic and a special class of small earthquakes.
Key words: high-rise building , transfinite，double -tower connected structure, elasto plastic time history analysis；pushover analysis
中图分类号：TB482.2文献标识码：文章编号：
工程概况
新疆时代广场H-office位于乌鲁木齐市中心，为两座公寓式办公楼，集合了办公、住宅、停车场和设备用房等诸多功能，抗震设防烈度8度，设计使用年限50年。该工程地上38层, 地下2层，局部突出一层，总高142.2米，高宽比为H/B=4.09，长宽比L/B=1.08，裙房地上五层。两座塔楼建筑层高一致，为镜像对称，在23~24，31~32层设两道空中连廊，每道连廊由两层组成，连廊跨度为17m，宽度为10.8m。见图一。
图1pkpm计算模型
结构选型
主楼
主体结构采用框架--核心筒结构，据《高层建筑混凝土结构技术规程》表3.3.1-2框架-核心筒结构B级最大高度为140米，考虑本工程高度只超B级高度2米，计算及构造措施基本按B级考虑，但稍有加强，外筒框架柱10层以下为型钢混凝土柱，10层以上为钢筋混凝土柱，所有梁均为钢筋混凝土梁，内筒为钢筋混凝土剪力墙。钢筋混凝土内筒作为主要抗侧力结构体系，框架作为抗震的第二道防线，形成双重抗侧力结构体系。内筒外周墙厚从上到下为450~700mm，内筒内部墙厚为300，框架柱截面尺寸从上到下为800x1200~800~1600(中柱)，1300x1300（角柱）。墙、柱混凝土强度等级从上到下为C45~C60。
构件抗震等级；框架抗震等级为一级，剪力墙抗震等级为特一级
连廊与主体结构连接采用强连接型式。
地下嵌固层为地下2层顶板。配筋按嵌固在-2层顶和0.000m标高板取包络。
楼盖体系采用钢筋混凝土现浇楼盖体系，并在合适位置设置次梁以减小楼板厚度，减轻结构自重。
裙房
为使结构更合理，更经济，采用设变形缝的措施，将主楼与裙房在地下连为一整体，±0.000以上分开，裙房采用钢筋混凝土框架结构，构件抗震等级：地上及地下1层的框架抗震等级为二级，地下2层和夹层的框架抗震等级为三级。
3. 基础设计
根据地质报告，以⑥层中风化基岩作为持力层，地基承载力特征值为fak=900Kpa，采用天然基础，满足承载力及沉降差异控制的要求。裙房基础：柱下独立基础加抗水板。 外墙下为条形基础，局部采用梁筏基础。主楼基础：采用梁筏基础，中筒下板厚为3500mm, 基础梁为1600x3500。 其余部分板厚为1500mm，基础梁为800x1500。
4. 连廊设计
本工程在23~24，31~32层设两道空中连廊，每道连廊由两层组成，23层底标高为84.100m, 31层底标高为112.9m。连廊跨度为17m,宽度为11.8m,考虑连廊位置较高，且跨度较小，并考虑建筑立面及功能使用方便（可以无缝），据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中10.5.4条，“连接体结构与主体结构宜采用刚性连接，必要时可延伸至主体部分的内筒，并与内筒可靠连接”。连接体与主楼连接方式采用强连接方式，连廊平面位置及布置见图二~图四：
图2连廊平面位置图
图3连廊布置（强连接）
图4桁架布置图
连廊计算：
（1）连体计算考虑了平扭藕连计算结构的扭转效应，采用了24个振型，并考虑了15%的竖向地震，楼板按弹性楼板6（真实地计算平面内和平面外的刚度）计算，板厚取0,计算中考虑了偶然偏心及双向地震作用。
（2）连体本身构件及连体结点采用大震不屈服控制；与连体相连的两榀框架柱采用小震和中震不屈服的较大值控制，小震计算时框架的抗震等级提高一级按特一级考虑。
（3）保证连体两侧型钢柱中型钢承载力大于桁架斜腹杆承载力的竖向分力
KZ中型钢面积：AS1=450X30X4+（1040+640）X20=87600mm2
腹杆型钢面积：AS2=2(450X35X2+680X30)=103800mm2
斜杆与水平面的夹角A=53.3AS2XSIN53.3=103800X0.8=83040mm2
Q345钢的拉压强度设计值为f=300N/mm2, fxAS1=300x87600=26280KN，fxAS2sin53.3=300x103800x0.8=24912KN，柱中型钢的承载力>桁架斜杆的竖向承载力，所以满足要求。
(4)经计算，连体部分钢结构大震不屈服下的应力比及稳定性均满足要求。
5. 主体结构计算及分析结果
采用两个不同力学模型的三维空间分析软件SATWE和ETABS进行连体结构的整体内力位移分析计算。
5.1.双塔连体结构多遇地震下的反应谱分析
采用考虑了平扭耦连的扭转效应的振型分解反应谱法，振型数取24个。结构前6个振型的自振周期见下表，结构第一扭转周期/第一平动周期比值均小于规范要求，结构前三阶振型图见图5～图7。
结构自振周期（秒）
图5第1振型图6第2振型图7第3振型
从以上图表可以看出：SATWE和ETABS的前三阶振型和周期基本一致，第一振型均以Y方向平动为主；第二振型和第三振型都是平扭耦联振型，第三振型相应扭转比例稍高，以扭转为主。
在三阶以后的振型中，SATWE和ETABS的周期计算结果均相差不大，但平动和扭转的参与分量有较大差别，这主要是由于SATWE程序中计算不出竖向振型，而ETABS能计算出竖向振型，因而在连体的竖向地震作用分析中，应采用ETABS的计算结果。
两个程序的第一扭转周期与第一平动周期的比值均小于0.85，满足高规对平扭周期比的要求，说明本连体结构具有较强的抗扭能力。前30阶总的振型有效质量皆大于95％，振型阶数取值满足结构分析精度要求。
5.2.地震剪力及最大层间位移角
由下表对比表明,两个程序结果误差较小,结构计算分析结果是可靠的，底层框架部分承受的地震倾覆力矩小于结构总倾覆力矩的50%，振型参与质量系数不小于总质量的90%。
5.3.层间剪力及位移、位移角分析
层间剪力分析
图8X向地震层间剪力 图9Y向地震层间剪力
从以上图表分析得出：在X向、Y向水平地震作用下，两种软件计算的底部剪力非常接近，这充分表示了连体部分能有效的传递两个塔楼的水平剪力，使得双塔的层间剪力趋近一致。
结构位移分析
从上表中可以看出，结构的变形和受力在X向和Y向均受地震作用控制，本结构的主要的荷载控制工况是地震。
两塔楼出裙房屋面后各楼层的平均位移与楼层最大位移比值均小于1.2，仅在裙房所在层大于1.2，但小于规范规定的1.4倍的限制，均满足规范要求。
结构层间位移角分析
图10图11
从位移角的图示可以看出，在X向地震作用下，两塔在上部楼层有反向弯曲的趋势；连体的设置使得X向的最大层间位移角在中部楼层最大，上部楼层位移角明显减小，说明连体部分在X向相当于巨大的框架梁，对双塔起着抗弯约束的作用。
5.4.弹性时程分析
按抗震规范和高规，该工程进行多遇地震下弹性时程补充分析。选用一条Taft波，建研院提供的一条人工波(RHS4)和一条天然波（RHSI），波形图见下图，根据甲方提供的安评报告，同规范进行比较，规范的加速度大，因此取规范峰值加速度为0.7m/s2。
时程分析法和反应谱的底部剪力比较（KN）
由上表得出以下两条结论：
1）、每条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%。
2）、多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。
由此可知满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2001的5.1.2条的规定。
5.5.结构静力弹塑性分析
本工程高度超高， 且在较高位置设置连接体，仅通过弹性分析难以完全把握结构在地震作用下的各种不利反应，因此有必要进行结构的弹塑性分析，了解结构在罕遇地震作用下的变形行为。从小震分析看，X向的动力性能和刚度较Y向弱，弹塑性分析的结果也类似，因此主要提供结构X向在大震下的响应情况,由下图可知，大震下X向最大层间位移角是1/110, 小于规范要求的1/100的要求，且结构变形比较均匀规则，说明结构在大震的情况下具有良好的弹塑性变形性能，能够确保结构在大震下不倒塌的设防目标的实现。
图12 大震作用X向层间位移角曲线
根据X向，Y向的层间位移角曲线可以知道，最大层间位移角X向发生在层高的1/2范围上下几层，Y向发生在层高的2/3范围上下几层。
图13 能力谱与需求谱曲线
Pushover过程描述：出现塑性铰的顺序：先是连梁，然后是框架梁
六、结论
该结构体型属复杂高层结构，需要通过两种计算软件对新疆时代广场H-office双塔连体结构进行了全面的分析和设计，总结如下加强措施：
1. 采用双重抗侧力结构体系
考虑本结构为B级高度(超2m)，综合分析后，10层以下采用了型钢混凝土柱，比B级高度加强，增强了结构延性。
2. 加强钢筋混凝土核心筒
钢筋混凝土核心筒作为主要抗侧力结构，我们采取了各种构造加强措施，提高结构延性，包括：
1）、严格控制筒体剪力墙的轴压比：
2）、提高加强区范围至六层顶（裙房上一层），按照规范加强区至四层顶高度，由于裙房五层层高为5.7m,六层层高为3.550m,且无裙房，计算五层刚度小于六层刚度的70%，为竖向不规则，采用加强区提至六层顶，约束边缘构件至六层顶，加强约束边缘构件箍筋，加大暗柱的配筋率和配箍率。
3. 加强连体及与连体相连构件
考虑连体结构受力复杂，尤其扭转作用大，连体本身构件及连体结点采用大震不屈服控制，与连体相连的两榀框架柱全高范围按中震不屈服和小震的较大值控制，且与连体相连柱通高采用型钢混凝土柱。
4. 弹性时程分析计算后结构调整
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中4.3.4条第3点，本工程应进行弹性时程分析，采用了两条天然波和一条人工波，计算后，时程分析结果中X，Y向地震剪力在22层以上比PMCAD中的振型分解反应谱结果偏大，据此将SATWE中的全楼地震力放大系数放大,计算后取此结果进行22层以上构件的配筋对结构进行加强。
参 考 文 献
[ 1 ] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）[S]北京：中国建筑工业出版社，2011
[ 2 ] 建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S] 北京：中国建筑工业出版社，2010
[ 3 ] 闫磊，朱宏平，地震作用下某双塔楼高层建筑动力响应研究 [J]国外建材科技，2005（6）：55-58
[ 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
[ 5 ] 顾云磊，钱江复杂连体高层建筑结构抗震性能计算分析研究 [J]结构工程师，2011（2）：85-92