大底盤不對稱雙塔結(jié)構(gòu)自身特性對地震反應(yīng)的影響

[摘要] 大底盤雙塔結(jié)構(gòu)是多塔結(jié)構(gòu)當(dāng)中較為典型的一種結(jié)構(gòu)形式，被廣泛的應(yīng)用于高層建筑結(jié)構(gòu)中，其抗震設(shè)計方法與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系有較大的不同。結(jié)合具體的工程實例，分析大底盤不對稱雙塔結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)布置影響因素中底盤高度及底盤剛度對地震反應(yīng)的影響。

[關(guān)鍵字] 大底盤；雙塔結(jié)構(gòu)；地震反應(yīng)；高度；剛度

1.引言

高層建筑是社會需求與經(jīng)濟(jì)繁榮、科技進(jìn)步的產(chǎn)物。隨著對高層建筑使用功能要求的日趨復(fù)雜，高層建筑數(shù)量的日漸增多，高度的不斷提升，結(jié)構(gòu)形式的不斷發(fā)展，衍生出了適應(yīng)現(xiàn)代化城市發(fā)展要求的建筑結(jié)構(gòu)體系——大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)，此類建筑具有優(yōu)美的建筑造型和較高的土地使用率，成為一種實際工程中被廣泛應(yīng)用的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，同時也是一種較為常見的高層建筑形式。

本文結(jié)合具體的工程實例，對多塔結(jié)構(gòu)中比較有代表性的雙塔結(jié)進(jìn)行分析，探討大底盤不對稱雙塔結(jié)構(gòu)自身結(jié)構(gòu)布置影響因素中底盤高度及底盤剛度對地震反應(yīng)的影響。

2.工程概況

山東某大型商住樓，總建筑面積20萬平方米，由購物中心、超五星酒店、高檔寫字樓、公寓及住宅等組成，集購物、休閑、餐飲、文化、娛樂等多種功能于一體，形成獨立的大型商圈，現(xiàn)已建成并投入使用。

地下負(fù)一層為大型超市和車庫，地下負(fù)二層為車庫和設(shè)備用房，地上1～4層為商業(yè)網(wǎng)點，皆為框架結(jié)構(gòu)；4層以上為住宅及公寓，其中塔1為32層，框支剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為99m，塔2為45層，框架筒體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度為149m。該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計要求使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防烈度6度，基本地震加速度為0.05g，場地類別為Ⅰ類，基本風(fēng)壓為0.7KN/m2，設(shè)計地震分組為第二組，周期折減系數(shù)為0.8。

3.計算模型

本結(jié)構(gòu)采用串并聯(lián)剛片系層模型，該模型是高層建筑結(jié)構(gòu)中最為常見的分析模型，其在引入樓板平面內(nèi)無限剛、樓板平面外剛度為零的假定后，將每層樓板簡化為具有一定平面尺寸和轉(zhuǎn)動慣量的剛片，每個剛片具有X，Y，三個自由度，樓層的質(zhì)量集中于剛片的質(zhì)心。在雙塔結(jié)構(gòu)中，引入分塊無限剛假定后，將各塔樓形成的幾個并聯(lián)的串聯(lián)剛片與底盤串聯(lián)剛片在主節(jié)點連接后，就形成了如圖2所示的串并聯(lián)剛片系層模型。在這種模型中，各樓層的側(cè)向剛度矩陣是引入剛性樓板假定后通過總剛凝聚而成的[3]。

4 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)特性

4.1大底盤雙塔結(jié)構(gòu)底盤高度對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響

高層雙塔大底盤結(jié)構(gòu)的底盤層數(shù)一般約為2-6層，但是上部塔樓的層數(shù)高度卻有數(shù)十層，兩者差異很大，那么塔樓與底盤的差值必然使得不同結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)中有較大的區(qū)別。以計算模型中底盤層數(shù)的改變?yōu)閷ο笱芯康妆P與塔樓相對高度對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。底盤高度與結(jié)構(gòu)總高度的比值用h/H表示，根據(jù)實際工程情況，底盤不超過結(jié)構(gòu)總高度的一半，無特殊說明以X方向地震作用效應(yīng)進(jìn)行對比，抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g）。采用建研院開發(fā)的SATWE軟件，并進(jìn)行彈性時程分析，經(jīng)分析比較采用SATWE的計算結(jié)果[1]。

本算例因底盤結(jié)構(gòu)層高是5100mm，塔1層高是2900mm，塔2層高是3100mm，因此塔樓層數(shù)增加時，結(jié)構(gòu)總高度、質(zhì)量均會增大。地震作用下結(jié)構(gòu)樓層剪力均在底盤底層也就是結(jié)構(gòu)底層，從圖中可以看出，隨著塔樓層數(shù)增多，曲線為上升的趨勢，但略有起伏。當(dāng)h/H從0.1451增加到0.1769時，地震作用下結(jié)構(gòu)的底盤底部樓層剪力值遞升較快，在0.1769到0.2383之間，總剪力增長有些起伏但是總體增長要明顯緩慢，當(dāng)h/H大于0.2383以后，剪力值略有下降。如果考慮結(jié)構(gòu)總質(zhì)量增加的因素，從曲線上可以看出，雙塔結(jié)構(gòu)底盤較高能適當(dāng)?shù)販p小結(jié)構(gòu)的地震總剪力。

雙塔結(jié)構(gòu)底盤高度與結(jié)構(gòu)總高度的比值h/H增大時結(jié)構(gòu)頂層的樓層位移曲線增大。從曲線可以看出，h/H由0.1451增加到0.2080時，曲線上升較緩，當(dāng)0.4785大于以后，曲線上升較快。底盤高度的比值在一定的范圍內(nèi)增大，結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度將明顯增大，結(jié)構(gòu)頂層樓層位移將相應(yīng)的減小。但是當(dāng)?shù)妆P高度過大，塔樓高度不占主導(dǎo)地位時，結(jié)構(gòu)頂層位移會稍有加大。根據(jù)層間位移曲線示意圖6可以看出，當(dāng)?shù)妆P層數(shù)相對較多的時，結(jié)構(gòu)最大層間位移隨著底盤層數(shù)的增加而上移。在計算的算例中，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角都出現(xiàn)在塔樓內(nèi)，因此可以比較結(jié)構(gòu)的最大層間位移值。由此說明底盤過高對塔樓的位移不太有利，當(dāng)?shù)妆P過高以后塔樓與底盤之間需要設(shè)置高位轉(zhuǎn)換層，對結(jié)構(gòu)抗震不利，因此工程底盤高度一般都不超過結(jié)構(gòu)總高度的一半。

4.2大底盤雙塔結(jié)構(gòu)底盤剛度對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響

結(jié)構(gòu)底盤剛度的變化實際上就是結(jié)構(gòu)底盤與塔樓之間剛度比值的變化，由于結(jié)構(gòu)剛度變化十分復(fù)雜，而且結(jié)構(gòu)剛度中的彎曲剛度、剪切剛度和扭轉(zhuǎn)剛度等的不同，對結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)都會產(chǎn)生影響，因此要全面把握是比較困難的，本小節(jié)就雙塔結(jié)構(gòu)底盤剛度的增大來簡單比較結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)的變化。

與普通高層結(jié)構(gòu)相似，底盤剛度增大后，結(jié)構(gòu)的各類地震力有所增大，結(jié)構(gòu)的位移減小，但是對結(jié)構(gòu)的第一平動與扭轉(zhuǎn)周期的影響不會太大。因為自振周期主要以塔樓的振動為主，底盤剛度的影響很小，而且周期比變化不大。在地震力作用下，結(jié)構(gòu)底盤的樓層最大地震力增大較多。本算例底盤頂層樓層最大地震力增大到原來算例的102.3%，而結(jié)構(gòu)的底層最大地震剪力增大為原算例的112.8%。樓層的最大位移則由所減小，為原算例的81.9%，最大層間位移角和最大層間位移也略有減小，最大層間位移減小為原算例的85.7%。因此底盤剛度增大以后雙塔地震反應(yīng)的變化特點與普通高層結(jié)構(gòu)是類似的，只是雙塔結(jié)構(gòu)的周期主要由塔樓控制，因此對結(jié)構(gòu)的周期影響不大。如果需要減小雙塔結(jié)構(gòu)的位移與扭轉(zhuǎn)，簡單加強(qiáng)底盤剛度效果不是很理想，應(yīng)該合適增大塔樓剛度。

5.《高規(guī)》[2]關(guān)于大底盤多塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)定

在結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中需要滿足規(guī)范當(dāng)中所要求的規(guī)定，以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》將雙塔及多塔結(jié)構(gòu)統(tǒng)按多塔樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并將其歸為復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，其主要的設(shè)計規(guī)定有：

（1）多塔樓建筑結(jié)構(gòu)各塔樓的層數(shù)、平面和剛度宜接近；塔樓對底盤宜對稱布置。塔樓結(jié)構(gòu)與底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心的距離不宜大于底盤相應(yīng)邊長的20%。

（2）抗震設(shè)計時，對多塔樓（含單塔樓）結(jié)構(gòu)的底部薄弱部位予以特別加強(qiáng)；塔樓中與裙房連接體相連的外圍柱、剪力墻，從固定端至裙房屋面上一層的高度范圍內(nèi)，柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當(dāng)提高，柱箍筋宜在裙樓屋面上、下層的范圍內(nèi)全高加密，剪力墻宜設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。當(dāng)塔樓為底部帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)時，應(yīng)滿足《高規(guī)》10.2節(jié)的各項規(guī)定[4]。

（3）為保證多塔樓（含單塔樓）建筑底盤與塔樓的整體作用，底盤屋面樓板厚度不宜小于150mm，并應(yīng)加強(qiáng)配筋構(gòu)造；底盤屋面上、下層結(jié)構(gòu)的樓層也應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施；連接體結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，連接體結(jié)構(gòu)的邊梁截面宜加大，樓板厚度不宜小于150mm，宜采用雙層雙向鋼筋網(wǎng)，每層每方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不宜小于0.25%。

（4）大底盤多塔結(jié)構(gòu)，宜按整體模型和各塔分開的模型分別計算，并采用較不利的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)塔樓周邊的裙梁超過兩跨時，分塔樓模型宜至少附帶兩跨的裙梁結(jié)構(gòu)。并且計算模型需要分別驗算整體結(jié)構(gòu)和各塔樓結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期與平動為主的第一周期的比值，即結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高度高層建筑、超過A級高度的混合結(jié)構(gòu)及《高規(guī)》規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。

6.結(jié)語

由此可見，在結(jié)構(gòu)主要地震作用效應(yīng)上，底盤層數(shù)不同引起的結(jié)果，有利有弊，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的建筑功能，在符合相應(yīng)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)下，針對結(jié)構(gòu)薄弱層及薄弱部位進(jìn)行具體分析，結(jié)合工程實際情況完成設(shè)計，以達(dá)到工程結(jié)構(gòu)設(shè)計在安全性及經(jīng)濟(jì)性上的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

[2]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JBJ3-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

[3]沉蒲生.多塔與連體高層結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工.機(jī)械工業(yè)出版社，2008，8

[4]李國慶，胡慶昌.高層混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點、難點及實例，2009，7