多塔樓結構設計概述

俞嘯威

【摘要】對于帶有地下室或裙房的高層建筑結構，該建筑結構是否屬于復雜高層，對于結構設計的正確性及合理性非常重要。本文結合現行《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）、《高層建筑混凝土結構設計規程》（JGJ3-2010）規范有關規定及文獻資料，對多塔結構及大底盤（地下室）的結構設計提出幾點看法和建議。

【關鍵詞】多塔結構；地下室；大底盤

引言

高層建筑是隨著經濟的發展和建筑用地要求應運而生的，隨著經濟的蓬勃發展，土地資源集約化利用日漸凸顯，由于地基承載力及結構穩定等方面的原因，高層建筑均帶有地下室，一層或多層；或者兩棟或多棟高層建筑裙房部分因建筑功能需要而相連，因此多塔大底盤建筑結構成為了主要的建筑方向。相對而言，建筑技術在實踐中更為成熟，被廣泛投入建設。但對結構設計而言多塔要比單塔復雜得多，如何按照規范精神，進行多塔結構的抗震設計和計算分析，成為結構設計應當著重解決的問題。

1、 概述

進行多塔樓結構設計之前，首先要了解多塔結構的定義。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[2] 2.1.15及條文說明，多塔樓結構定義為“未通過結構縫分開的裙樓上部具有兩個或兩個以上的塔樓結構”。首先我們應區分大底盤地下室的多塔樓結構（地面以上無大底盤）與多塔樓建筑（地面以上有大底盤）的不同。多塔樓結構設計應根據地下室及裙房的不同情況進行分析。具體分類有以下幾種（圖1），并對各種情況進行相應的討論：

圖1

2、多塔樓帶地下室

《高層建筑混凝土結構技術規程》[2] 2.1.15條文說明對多塔樓結構的定義做出了進一步的解釋：“多塔樓結構是在裙樓或大底盤上有兩個或兩個以上的塔樓的結構，是體型收進結構的一種常見例子。一般情況下，在地下室連為整體的多塔樓結構可不作為本規程第10.6節規定的復雜結構，但地下室頂板宜符合10.6節多塔結構設計的規定。” 根據朱炳寅在《高層建筑混凝土結構技術規程應用與分析》中寫道：“一般情況下，僅地下室連為整體的多塔樓結構，可不認定為《高規》第10.6節規定的復雜結構，但地下室頂板設計應考慮多塔樓結構的影響，除滿足嵌固端樓板的要求外，還應符合《高規》第10.6節的相關設計規定。”由此可見，對于地下室上有兩個或兩個以上塔樓的結構，當地下室頂板低于室外地坪時，無論地下室頂板能否作為上部的嵌固部位，都可將各個單體分別進行計算分析及設計，不需考慮各個塔樓間相互的影響，僅需考慮各單體相關范圍內的影響。但當地下室頂板不能作為嵌固部位時，規范并未有具體的規定，個人認為應區分不同情況（即地下室頂板實際存在的嵌固及地下一層的地面或以下的樓面作為嵌固兩種情況）對上部結構進行包絡設計。

3、多塔樓帶地上裙房

多塔樓高層建筑結構的主要特點是在多棟獨立高層建筑底部有一連成整體的裙房，形成大底盤。大底盤多塔樓高層結構在大底盤上一層突然收進，屬于《高規》中豎向不規則結構。當大底盤上有2個或2個以上的塔樓時，結構振型復雜，并會產生復雜的扭轉振動。

分析表明，多塔樓結構振型復雜，且高振型對結構內力的影響大，當各塔樓質量和剛度分布不均勻時，結構扭轉振動反應大，高振型對內力的影響更為突出。因此《高規》規定多塔樓結構各塔樓的層數、平面和剛度宜接近；塔樓對底盤宜對稱布置，減小塔樓和底盤的剛度偏心。

多塔樓結構屬于復雜高層建筑，通過控制位移比不應大于該樓層平均值的1.4倍來限制平面布置的不規則性，避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應。位移比控制計算應采用整體模型考慮各塔樓之間的相互影響，將各塔樓連同底盤作為一個完整的系統進行分析，各塔樓每層為一塊剛性樓板，各塔樓相互獨立。

多塔樓結構應將塔樓和底盤作為整體進行分析，并應采用不少于兩個力學模型，對計算結果進行分析和比較。同時為了保證各塔樓結構的合理性，也應進行必要的單塔獨立計算。

在多塔結構中，存在著大量的對稱或近似對稱振型，這就造成了較多的低階振型的振型參與系數為零或很小的情況，并且對于剛度和質量沿豎向分布越均勻、對稱的多塔結構，某些振型就越趨于對稱，振型參與系數也就越小。

多塔結構在高階振型下對地震反應的影響較大，當塔樓在大底盤平面上分布不均勻、不對稱且各塔樓的高度不同，質量和剛度分布不均勻時，高振型影響將會進一步加劇，在結構計算時應選取足夠多的振型數，應滿足振型參與質量不小于總質量90%的要求。

在多塔結構中因塔樓之間的相互作用，在裙房樓板中獎產生較大的內力和變形。因此，裙房樓板采用無限剛性假定是不成立的，應采用彈性樓板假定。

4、結語

當今高層建筑正日益向多功能方向發展，為滿足建筑體型多樣性和建筑多功能要求，近年來涌現出大量體型復雜的高層建筑，其中大底盤多塔樓就是很典型的一類。對在地下室連為整體的多塔樓結構，屬于一般的高層結構，塔樓對遠離塔樓處影響很小，滿足構造要求時，可將上部各塔樓分別進行結構計算分析。而對于多塔樓帶地上裙房，多塔結構在底盤上一層的平面布置有劇烈變化。上部結構突然收進，屬于豎向不規則結構；塔樓與底盤的結合部結構豎向剛度和抗力發生突變，容易形成薄弱部位；多個塔樓相互作用，使結構振型復雜，并且產生復雜的扭轉振動。大量震害實例說明，塔樓與大底盤結合部位及其上、下各一層的構件在地震中破壞最嚴重。為此，規范對多塔結構提出了比較詳細的抗震措施要求，在多塔結構抗震設計中，應當從概念設計出發，重視結構薄弱部位的分析，加強抗震構造措施，其要點是：（1）多塔結構振型復雜，且高振型對結構內力的影響較大，當各塔樓質量和剛度分布不均勻時，結構扭轉振動反應較大，因此各塔樓的樓層數、平面布局、豎向剛度及結構類型宜接近。（2）塔樓對底盤宜對稱布置，塔樓結構的綜合質心宜接近底盤結構的質心，塔樓與底盤質心的距離不宜大于底盤相應邊長的20%。（3）抗震設計時，帶轉換層塔樓不宜設置在底盤屋面的上層的塔樓內，否則應采取有效的抗震措施。如轉換層及上、下層的抗震應提高一級采用。（4）為保證大底盤與塔樓整體工作，底盤屋面板應加厚，不宜小于150mm，樓板鋼筋應雙層雙向布置，各層各方向最小配筋率不宜小于0.25%.屋面梁底筋、腰筋及不少于1/3的面筋通長布置。底盤屋面上、下一層的樓板也應加強構造措施。（5）多塔樓建筑結構的各塔樓的層數、平面和剛度宜接近。

參考文獻：

[1]GB50011—2010 建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2]JGJ3—2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

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

[5]朱炳寅，建筑結構設計問答及分析. 北京：中國建筑工業出版社，2013..

[6] 張維斌，多層及高層鋼筋混凝土結構設計釋疑及工程實例，北京：中國建筑工業出版社，2005