大底盘双塔复杂高层建筑结构设计

王占红

摘要：随着社会的发展与进步，重视高层建筑结构设计具有重要的意义。本文主要简单论述大底盘双塔复杂高层建筑结构设计的有关内容。

关键词大底盘 双塔 高层 建筑 结构 设计

Abstract: along with the development of social development and progress, and pay attention to the high building structure design is of great significance. This paper mainly discusses the twin towers chassis large simple complex high-rise building structure design of the related content.

Key words ：big chassis towers designing high-rise

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

引言

近年来随着社会和经济的快速发展, 在城市里高层建筑建设的比例进一步加大, 建筑师对建筑形态不断创新和变化, 出现了越来越多的大底盘双塔楼体形的建筑。这种竖向刚度变化较大的复杂结构体系在地震作用下, 结构的内力、变形及动力特性有何规律和特点, 结构概念设计中应采取哪些措施以及相关的设计要点, 应是此种建筑在结构设计中必须首先解决的问题。

1、工程概况

该工程为集商业及住宅为一体的大型现代化商住高层建筑。地下一层, 地上二十七层, 其底部四层为大底盘, 作为商业用房, 其上为两座二十三层住宅楼, 一层电梯机房, 一层水箱间, 室外地坪至塔楼屋面的高度为94.75米, 结构平面呈“ 口”字形。根据使用功能的要求, 本建筑物结构形式采用框架一剪力墙结构。

2、结构选型分析

2．1主体双塔楼：根据建筑高度、体形特点，双塔楼采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构，与连廊相连的范围设置钢筋混凝土井筒及钢骨混凝土柱，以便增强双塔楼结构刚度，减少侧移，削减塔楼对弱连廊的作用效应。

2．2高位连廊：在初步方案阶段，对连廊结构的选型进行了预应力混凝土巨型框架和钢桁架两种方案的比较，从结构的整体分析总信息表明，两种方案均能满足限制要求，但从周期扭转比结果表明：前者扭转比明显高于后者，剪重比增加，说明预应力混凝土巨型框架连廊对主塔楼影响较大，由于其自重、刚度均较大，不仅造成地震力的增加．使得主体构件粱、墙、柱、基础断面及造价都相应提高，而且不能体现建筑造型的要求。从施工角度，结构要求构件达到强度后方可拆模，给高空混凝土支模技术提出高难度的要求，高空模板的突然拆除又会使巨型框架瞬时加载对构件产生不利的次应力影响。如采用钢桁架结构方案，不仅结构自重、构件的断面得以大幅度的减小和减轻，剪重比、扭转比也相应的减小，而且也体现了立面造型的轻盈、通透，时代感更强，又增加了房间的净空面积：从施工角度，钢结构施工速度快、不需支模。综合造价低等优点，因此，高空连廊采用钢桁架方案。与主楼钢骨混凝土刚接。连廊部分的楼屋面结构设置水平钢支撑与竖向铜桁架组合为箱形钢结构体系，楼屋盖采用压型钢板与混凝土组合结构，利用压型钢板作为模板，可减少施工支模费用。

2．3顶层屋盖：跨越两塔楼的屋盖采用空间网架，网架一侧设不动铰支座支承于左塔楼另一侧设双向滑动的抗震球形支座，以消除在地震作用下出现不同方向的相对位移、网架的温度应力、风荷载等对塔楼的不利影响。

3、连体结构的计算分析与设计：

3．1连体结构参与整体分析：

由于本工程属复杂体形超限高层建筑结构，尤其是双塔之间的大跨度高位连体部分是设计中的关键部位，连体部分一方面要协调两塔楼结构的变形，在水平荷载作用下承受较大的内力，另一方面本身跨度较大，除竖向荷载作用外，竖向地震作用也非常敏感。连接节点处理不当将难以保证结构的安全。另外，双塔连体结构的扭转效应非常明显，对于对称的双塔连体结构，由于连体楼板的变形，两塔除有同向的平动外，还可能产生两塔搂的相向运动。

3．2计算程序及计算方法

针对本工程体形复杂，局部存在SRC结构及钢结构的特点。在进行多遇地震作用下的内力和变形分析时，采用了多程序、多模型、多方案综合分析比较的方法，以期准确地反映该主楼、连廊、屋顶网架相互间的影响力。地震作用计算方法采用振型分解反应谱法和多遇地震下的时程分析补充计算。整体计算选用中国建筑科学研究院PKPM工程部编制的：高层建筑结构空间有限元分析与设计程序SATWE和该工程部开发的另一特殊多高层建筑结构分析与设计软件PNISAP，对连体结构进行了45种振型分析比较。局部钢结构采用STS及美国STAADPRO--2001进行对比分析，以确保结构的安全。

3．3连廊参与整体计算模型及荷载输入：

(1)连廊楼板模型输入按弹性楼板计算(板厚150mm)和弹塑性楼板计算(即楼板Om，不考虑楼板的共同作用)两种情况计算。

(2)连廊部分荷载的输入：

竖向荷载：把楼面荷载转化为线载作用于次粱上，再通过次粱传到边桁架节点上。水平荷载：主要是风载，由支撑、次粱、边桁架组成的几何不变体系承担，并通过与塔楼连接的节点板传到塔楼上。

3．4屋顶网架参与整体计算模型及荷载的输入：

(1)网架模型的输入；根据2001年3月份上海PKPM展示会提问与解答上讲：“屋面网架在模型中可近似按楼板平面内无限刚考虑，保留柱不输梁，把网架传给四周的竖向集中力和水平推力作为外力加到周围的梁柱上”的方法，输入刚性楼板时采用等效梁作为板的支承，参与整体分析计算。

(2)网架支座荷载，根据单塔搂计算模型，得出的最大相对位移量，对可滑动支座施加两顶塔最大位移量，求得两塔楼相互作用时产生的内力及竖向荷载，网架内力计算采用MST3．0。

3．5水平地震和风荷载作用下相互影响的分析

连体结构按规范要求除进行振型分解反应谱法计算外，还应补充弹性时程分析计算，6度设防时，可不进行竖向地震作用的计算。在风和水平地震荷载作用下，结构除产生平动变形外，还将产生扭转变形，各塔楼间除有同向的平动变形外，还将产生塔楼间的相互运动。各种平动、扭转振型耦合在一起使得整体结构的扭转效应非常明显。在抗震分析时既考虑了平扭耦连的扭转效应，又考虑了双向地震作用和偶然偏心地震作用的最不利工况计算。振型数45种，振型的质量参与系数达01．06％。计算表明连体部分的楼层抗侧刚度相对于下部两塔楼刚度之和较大，剪力突变，根据规范连体下部为薄弱层，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震剪力应乘以1．15放大系数。该工程周围空旷，风荷载计算时可不考虑邻近建筑相互干扰的影响。

3．6两侧塔楼对连廊的影响．

通过整体分析计算表明；该连廊整体刚度较弱，但楼层剪力产生突变，连廊的内力也产生变化。地震时，连体两侧主楼有相互错动趋势，连廊部分的楼面可相当于作用在主体部分的楼面水平拉杆并承受楼面内的剪力，按第一阶段弹性设计楼板取150mm厚计算时，由于楼板作用。减少了桁架上下弦拉杆的轴力，当按第二阶段弹塑性设计时，即不考虑楼面承受水平拉力和剪力作用时(扳趋于0)．钢桁架上下弦杆轴力将增大，边跨腹杆内力减少。

3．7空中连廊及网架对两塔楼的影响

计算结果表明：由于两塔楼比空中连廊、屋顶网架刚度大得多，因此．空中连廊及屋顶网架对两塔楼的约束和钳制作用不太明显。主楼对网架的影响通过网架可滑动支座允许的最大位移量来控制。

4、网架的设计与支座的形式

网架支座塔楼一侧设不动铰支座，网架不动铰支座由加劲肋及支座底板组成，见图1，为避免支座在温度变化、风荷载、地震作用下出现不同方向的水平位移对主塔楼的影响，支座必须具有足够的变形能力，因此网架于另一塔楼设双向可滑动抗震球形支座，见图2。抗震球形铰支座由上下两部分组成，上部分为不动铰支座，下部分为可自由转动、自由水平滑动的上盖板、聚四氟乙烯板、不锈钢圆板、相交密封圈与固定底座等部分组成。固定底座在支座底托边沿开坡口，与下部预埋钢板焊接，支座板件件均采用坡口等强焊缝，支座上下两部分通过高强螺栓连接在一起。该支座具有可承较大的压力和拉力、具有平动和转动的能力的特点，该支座的运动特性和结构模型一致，通过对单塔进行受力分析，得出顶塔最大相对位移量58．67mm，对可滑动支座施加强迫最大位移量求得两塔楼相互作用时产生的内力，网架内力计算采用MST3，0。计算时考虑竖向风荷载及温度应力的影响。

图1 不动铰支座

图2 抗震球形铰支座

5、连体结构与塔楼连接处的抗震措施

连体与塔楼连接处以及屋顶网架的支撑结构抗震等级提高一级，柱内设型钢，向下或向上各伸一层，与内型钢柱相连的粱也采用型钢混凝土梁，水平桁架的粱与塔楼相邻的梁采取可靠的焊接锚固。见图3。连体部分楼板加厚范围延伸至两塔楼各一跨的范围。此加厚板范围的上下铜筋全部拉通，以使连体部分能更有效地抵抗板内产生的水平剪力。

图3

3、结束语

总而言之，在高层建筑结构设计中会遇到各式各样的问题，我们应该持坚持不懈的态度对待，提高建筑设计的质量，为我国建筑业的发展尽一份力。

参考文献

1建筑抗震设计规范(GB50011 -2001)

2高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2002)

3赵西安现代高层建筑结构设计(上、中、下)

4包世华王建东大底盘多塔连体结构的受力分析1996年11月

5包世华王建东大底盘多塔结构的振动计算1996年6月

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。