大底盤多塔樓高層建筑的抗震設計分析

謝林秀

(福建眾合開發建筑設計院 福建福州 350004)

大底盤多塔樓高層建筑的抗震設計分析

謝林秀

(福建眾合開發建筑設計院 福建福州 350004)

以某一實際工程為例，結合多塔樓結構的受力特點，通過對不同的計算模型進行對比，選取不利結果進行包絡設計。通過分析大底盤的樓板應力，找出樓板薄弱部位，進行相應加強，從而保證結構設計的合理安全。

大底盤多塔高層；抗震設計；計算模型；樓板應力分析；構造措施

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所謂多塔樓結構是指在結構嵌固部位以上，同一裙樓單元上部具有兩個或兩個以上塔樓的結構[2]。近年來，隨著城市化進程的加快，建筑使用功能的局限，很多工程無法通過設置結構縫將塔樓分開，因此出現了越來越多的大底盤多塔樓高層建筑，然而有關這類結構抗震設計方面的研究比較有限。因此有必要對大底盤多塔樓高層建筑進行進一步的抗震分析，為工程設計提供參考。

對于裙樓為大底盤，上部為多塔樓的高層建筑，裙房大底盤協調多塔的振動，將多塔、裙房組成整體抗震單元，這是結構多塔樓模型體系成立的關鍵。多塔結構屬于復雜高層結構，它的受力特點和計算分析比普通高層建筑要復雜，必須注意其計算分析的特殊性，其主要受力特點有以下幾點：

(1)塔樓與大底盤的連接部位結構側向剛度發生突變，在突變處極易形成薄弱部位；多塔結構在出裙房屋面處的平面布置變化較大，上部結構收進，上部的地震作用需要通過樓板傳遞到下部結構，樓板承擔著較大的面內應力。因此體型突變部位的樓板應加厚并加強配筋，板面負彎矩配筋宜貫通。體型突變部位上、下層結構的樓板也應加強構造措施[1]。實際工程中若裙房大底盤遇大開洞局部削弱、平面出現弱連接或平面凹凸尺寸較大時，樓板受力復雜，容易產生較大的應力集中，應進行復雜樓板應力分析。

(2)多個塔樓相互影響，使結構振型復雜，容易產生扭轉振動；多塔樓結構振型復雜，且高振型對結構內力的影響很大，當各塔樓結構的質量和剛度分布不均勻時，結構的扭轉振動反應較大，高振型對內力的影響更為突出[1]。傳統的單串聯剛片體系，在質量和剛度分布較均勻時，其振型參與系數隨振型階數的增加而迅速減小，即高振型比低振型對地震作用的貢獻要小得多，一般取前幾階振型即能滿足地震作用的精度要求。但對多塔樓結構，此規律不復存在，某些甚至較多的低振型的參與系數很小甚至為零，而某些高振型的參與系數卻較大，所以計算多塔樓結構的地震作用時，對振型的選擇應注意此特點[4]。因此各塔樓的平面布置、層數、結構類型及豎向剛度宜接近；塔樓對底盤宜對稱布置，減小塔樓和底盤的剛度偏心。計算分析時應選取合適的振型數，嚴格控制結構的周期比及扭轉位移比，限制各塔樓的扭轉。

(3)多塔結構振動形態較為復雜，單靠整體模型計算不容易判斷結構的合理性；輔以分塔樓模型計算分析，取二者的不利結果進行設計較為穩妥。

通過分析總結《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[1]中大底盤多塔樓高層建筑的受力特點，以實際工程為例，對不同的計算模型進行對比，選取不利結果進行包絡設計。通過分析大底盤的樓板應力，找出樓板薄弱部位，進行相應加強，希望能為類似結構提供一些參考。

1 實際工程不同計算模型的對比及樓板應力分析

1.1 工程概況

圖1 大底盤雙塔樓立面示意

本工程地下二層，地上三層裙房，裙房屋面以上為1#，2#雙塔高層建筑。1#樓20層，為soho辦公樓，建筑總高度93.1m，框架-剪力墻結構；2#樓22層，為寫字樓，建筑總高度95.5m，框架-核心筒結構；裙房部分為框架結構，裙房屋面高度為16.5m。因底部裙房為大型商業，無法通過設置結構縫將塔樓分開，因此本工程按不設縫方案設計(圖1)。

結構整體長約115m，寬約54m。塔樓相對大底盤的平面布置雖不對稱，但因雙塔高度相近，質心偏差小于20%。結構分析以YJK軟件為主，輔以midas-building對YJK分析結果進行校核。主要地震計算參數如下：抗震設防烈度為7度；設計基本地震加速度值為0.10g；設計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.65s；裙房梁板混凝土強度等級為C35。

圖2 標準層平面簡圖(→Y向)

1.2 計算模型(圖3)

(1)整體計算模型(模型一)，應作為大底盤多塔樓結構設計的基本計算模型，這一模型的計算結果主要用來考察塔樓綜合質心與裙房質心的偏心對結構的扭轉影響(尤其是塔樓結構)，考察整體結構(塔樓結構及裙房結構)的計算模型及主要計算指標，如周期、周期比、層間位移、位移比、各層的側向剛度比、轉換層下部結構與上部結構的等效側向剛度比、結構的傾覆力矩比等，與分塔計算模型的結果進行比較，并用于結構超限審查及施工圖設計[2]。

(2)分塔計算模型(模型二)，可用于主體結構框架柱、剪力墻調整及轉換層上、下剛度比的比較計算。模型二的分析，首先確保裙房在無塔樓剪力墻幫助下滿足自身的可靠和安全，同時著重分析主塔樓上部的性能指標和安全性。采用模型二來進行主體結構的出裙房部分塔樓結構設計，并采用模型一、模型三結果進行校核，取其包絡進行配筋設計。

(3)分塔計算模型(模型三)，各塔樓分塔計算(取塔樓及其裙房相關范圍)，模型三主要驗算塔樓結構的周期、周期比、層間位移、位移比、各層的側向剛度比、轉換層下部結構與

上部結構的等效側向剛度比、結構的傾覆力矩比、剪力墻與框架柱的剪力比等整體計算指標，與整體計算模型一的計算結果進行比較并用于結構超限審查及施工圖設計[2]。模型三在實際中基本不可能發生，但可驗算兩個主塔樓核心筒在裙房范圍內的安全度以及上部框架柱調整后的反應。與其他兩個模型比較發現，塔樓核心筒(剪力墻)因吸收部分裙房的地震力致使配筋加大。底部加強區剪力墻的設計以模型三為準，并以模型一進行校核，取其包絡進行配筋設計。

模型一 模型二 模型三圖3 計算模型簡圖

指標類別整體計算模型一分塔計算模型二分塔計算模型三1#2#1#2#1#2#結構自振周期(s)T1=28538 T4=22370T2=27069 T5=21275T3=25354T1=28387T2=27324T3=20301T1=29904T2=28053T3=26580T1=27490T2=25366T3=17379T1=28710T2=27041T3=24084第一扭轉周期與第一平動周期的比值075072089063084最大層間位移角X風1/1264(13F)1/1466(11F)1/1164(13F)1/1383(11F)1/1259(13F)1/1470(11F)Y風1/2913(7F)1/2629(7F)1/2950(8F)1/2426(7F)1/2903(7F)1/2599(8F)X地震1/955(15F)1/901(16F)1/913(13F)1/952(11F)1/897(15F)1/959(13F)Y地震1/1021(11F)1/1096(11F)1/1004(10F)1/1112(8F)1/967(11F)1/1033(9F)層間受剪承載力比1F0960930940980952F1131041061201143F09710308911509115F106104105106107

1.3 不同計算模型指標對比

從(表1)各模型計算結果比較可以看出，當采用整體模型計算分析時，很難反應各分塔的不同扭轉特性。如果僅分析整體模型的空間振動圖去判斷結構的扭轉特性，要求設計人員具有較高的判斷能力和實際工程經驗，而分塔模型能簡單的計算出各塔樓的周期比，準確反應各塔樓的扭轉效應。如分塔模型計算指標反應出2#塔扭轉偏大，可適當進行結構調整。因此，大底盤多塔高層結構的周期比應以分塔模型為準。當分塔高度較接近時，結構最大層間位移角、層間受剪承載力比各模型指標均較接近，且其他控制參數如位移比、剪重比等各模型計算結果也相差不大(限于篇幅，本文未提供計算數據)。通過對各模型計算數據的分析比較，可知大底盤多塔高層結構在地震時各塔的振動會通過大底盤相互影響，相互藕聯。設計時，必須考慮各塔樓的平扭藕聯振動和大底盤樓板平面內振動的影響，不能將其按傳統的單塔樓結構進行計算，應進行各模型比較包絡。對于大底盤多塔超限高層，尚應進行大底盤多塔結構彈塑性時程分析。

1.4 樓板應力分析

本工程因裙房中庭大開洞，裙房樓板削弱較多，平面不規則，樓板受力復雜，容易產生應力集中，需進行小震、中震下的樓板應力分析。

根據文[3]建議公式，樓板在小震作用下應滿足：

σ1k,小震≤ftk

(1)

(1)式中： ftk為混凝土抗拉強度標準值；σ1k,小震為有地震作用效應組合時樓板在小震作用下樓板主拉應力標準值。

采用雙層雙向相同配筋時，中震作用下應滿足：

σ1k,中震≤fyAs/γREhs

(2)

(2)式中：σ1k,中震為有地震作用效應組合時樓板在中震作用下的主拉應力設計值；fy為鋼筋抗拉強度設計值；s為樓板鋼筋間距；As表示在間距s范圍內上下層水平鋼筋的面積；h表示大底盤樓板厚度；γRE=0.85為承載力抗震調整系數。

本工程恒載、活載引起的樓板應力比地震作用產生的樓板應力小，因此取地震工況內力作為小震、中震的應力進行分析驗算。計算時將整個大底盤樓板視為膜單元彈性板，上部各分塔樓板視為剛性板，以裙房屋面X向地震樓板應力分析為例。小震工況下，從(圖4)可看出，樓板應力集中處的峰值約為1.3MPa，樓板混凝土強度等級為C35，抗拉強度標準值為2.2MPa，滿足設計要求。中震工況下，如圖5所示，中庭連接處及筒體開洞樓板削弱較多，產生應力集中，該處局部板厚h=180mm，配筋雙面雙向Φ12@140，能滿足設計要求；其余裙房屋面板厚h=150mm，配筋雙面雙向Φ10@200，中震工況下均能滿足設計要求。在進行大底盤多塔樓結構設計時，應重視大底盤樓板的應力分析，加強薄弱區域的板厚、配筋，同時保證樓板受力筋的抗震錨固，確保結構設計的安全。

圖4 裙房屋面層X向小震應力分布圖(MPa)

圖5 裙房屋面層X向中震應力分布圖(MPa)

2 大底盤多塔結構的構造加強措施

實際工程設計時，應結合大底盤多塔樓高層結構的受力特點按以下幾點進行構造加強：

(1)多塔結構豎向體型突變部位的樓板宜加強，樓板厚度不宜小于150mm，宜雙層雙向配筋，每層每方向鋼筋網的配筋率不宜小于0.25%。體型突變部位上、下層結構的樓板也應加強構造措施。

(2)裙房屋面板對保證塔樓和大底盤的協同工作作用明顯，塔樓之間的裙房連接體以及塔樓中與裙房連接體相連的外圍柱、剪力墻等，是保證大底盤與多塔樓整體工作的關鍵構件，應予加強。

(3) 對于多塔結構，剪力墻底部加強部位高度延伸至裙樓以上一層，裙房屋面上一層塔樓豎向構件抗震等級提高一級，柱縱筋的最小配筋率適當提高，柱箍筋在裙房屋面上、下層的范圍全高加密。

(4)針對結構關鍵部位和薄弱部位，采取比規范更嚴格的配筋構造，增強結構在罕遇地震作用下的抗震能力。提高底部剪力墻豎向和水平分布筋配筋率、加強核心筒外墻連梁的抗剪配筋等。

3 結語

本文通過分析大底盤多塔樓高層建筑的受力特點，以實際工程為例，選擇合理的計算模型，并采用較不利的結果進行包絡設計；通過對大底盤樓板進行應力分析，找出樓板的薄弱部位，并采取相應的加強措施。從計算分析可知，本工程各項指標均滿足規范要求，結構方案合理安全。以上內容僅為筆者在設計過程中的一些經驗總結，尚有不足之處，有待進一步完善提高，敬請各位指正。

[1]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2]朱炳寅.高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析JGJ3-2010[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]扶長生，劉春明，李永雙.高層建筑薄弱連接混凝土樓板應力分析及抗震設計[J].建筑結構，2008,38(3)：106-110.

[4]包世華，張銅生.高層建筑結構設計和計算.下冊[M].北京：清華大學出版社，2007.1.

[5]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范 [S].

Seismic design analysis of multi-tower high-rise building with large chassis

XIELinxiu

(Fujian Zhonghe Development Architectural Institute,Fuzhou 350004)

With a practical project as an example, combining with the characteristics of multi-tower structure, by comparing different calculation models, choose adverse result to design. Analyse complex floor stress of large chassis,strengthen the weak parts of the stress analysis, ensure the structure design is safety and reasonable.

Multi-tower high-rise building with large chassis; Seismic design; Calculation model; Floor stress analysis; Structural measures

謝林秀(1986.06- )，女，工程師。

2015-06-23

TU973+.31

A

1004-6135(2015)09-0056-04