水平力作用下塔楼与裙房楼层剪力传递分析

邵建伟

(香港华艺设计顾问(深圳)有限公司，广东深圳 518031)

1 工程概况

合肥华润中心项目是一个综合商业办公建筑群，位于合肥市主城区西南的政务文化新区内，占地60 419 m2。扩大地下室共3层，长278 m，宽206 m，埋深约15.4 m。地上裙房6层，结构高度30.7 m，南部裙房长260 m，宽67 m;北部裙房长250 m，宽90 m，南北裙房之间设置抗震缝，北部裙房两端连接两栋办公塔楼，三维空间模型见图1。东面2号塔楼地上44层，结构高度178.6 m，建筑面积85 268.3 m2。西面1号塔楼地上56层，结构高度250m，建筑面积126 352.9m2。结构设计基准期为50年，抗震设防烈度7度，基本地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，抗震设防类别裙房顶层以下乙类，裙房以上丙类。

图1 三维空间模型

主体结构设计中有三个特殊之处:1)2号塔楼在22层和36层位置部分核心筒结构墙转换为框架柱作为结构的竖向受力构件;1号塔楼在40层部分核心筒结构墙转换为框架柱作为结构的竖向受力构件。2)1号塔楼1层～37层层高4.2 m(与裙房相连的几层及设备层除外)，41层以上标准层层高3.6 m，中间38层～40层层高7 m用于酒店大堂，41层楼层核心筒外无楼板导致框架柱一个方向无支几何长度为14 m。3)与双塔相连的北部裙房在第4，5层由于建筑电影院及宴会厅的功能布置，导致该层裙房出现大量斜楼板和开洞的结构形式。基于结构以上特点，塔楼自身受力工作性能就存在一定的复杂性，而与塔楼相连的裙房由于个别楼层存在大面积开洞的情况，从而使得结构内力分布情况、水平力传递情况都存在一定的复杂性。

2 结构小震计算分析结果

2.1 模态分析

结构单塔和双塔大底盘整体模型计算得到的周期和振型质量参与系数见表1。

表1 结构单塔、双塔周期计算结果对比

由表1单塔和双塔对比结果可以看出，双塔模型计算得到各阶周期的结果均比单塔结果要小，这是由于结构裙房刚度的贡献，使塔楼下部楼层的侧向约束增强。对比1号楼结果发现，1号楼自振周期的方向发生了变化，单塔模型第一周期为X向，而双塔模型1号楼第一周期为Y向。其原因是1号楼单塔模型中前两阶平动模态比较接近，而双塔模型中裙房对1号楼X向的连接约束作用要大于Y向，导致1号楼2个方向的刚度发生变化，因此1号楼自振周期发生改变。

2.2 位移分析

结构单塔和双塔大底盘整体模型在风荷载下底部5层位移结果对比见表2。

表2 风荷载下底部5层位移结果对比 mm

表2分别给出单塔和双塔大底盘在风荷载下楼层刚心位移值，其中裙房部分是指除塔楼范围以外的裙房结构部分。在风荷载作用下，单塔模型位移比双塔模型位移稍大，而单独裙房模型位移明显小于单塔模型及双塔模型，说明在风荷载作用下双塔大底盘结构裙房对塔楼存在一定的约束作用，有利于结构抵抗风荷载。

3 结构连接部分内力应力分析

双塔大底盘结构连接部分两侧刚度差异较大，导致该位置受力较为复杂，分析清楚连接部分的受力状态是保证大底盘裙房与高层塔楼整体协同工作的关键问题。

表3 地震作用下1号楼部分楼层剪力

表4 地震作用下2号楼部分楼层剪力

图2 1号楼在单塔模型及双塔底盘模型中的楼层剪力曲线

由表3、表4、图2及图3可以看出:1)双塔大底盘结构对塔楼部分的地震楼层剪力有一定的放大作用(由于篇幅关系，没有把裙房以上塔楼楼层剪力全部罗列)，两个方向剪力放大在10%～30%之间，塔楼部分裙房以上楼层剪力大多数放大15%左右。2)双塔大底盘模型塔楼部分楼层剪力在裙房顶部两层发生突变，塔楼的部分剪力向裙房传递。3)塔楼剪力向裙房传递跟裙房对塔楼的约束情况有关系，裙房对1号楼的X向约束较强，Y向约束很弱，所以塔楼只有X向出现剪力传递;裙房对2号楼的X向约束较强，Y向也有一定程度的约束作用，所以2号楼两个方向都出现了不同程度的剪力传递情况。

图3 2号楼在单塔模型及双塔大底盘模型中的楼层剪力曲线

本工程塔楼部分通过5层混凝土楼盖与裙房相连，为了研究在水平荷载作用下产生的内力传递情况，本次分析采用了不同模型在风荷载下的楼层剪力传递进行比较分析:

1)1号塔楼与裙房连接位置梁板刚度退化50%;2)1号塔楼与裙房连接位置4跨框架柱刚度退化50%;3)裙房所有柱刚度退化50%;4)裙房纯框架，取消裙房剪力墙;5)1号塔楼与裙房连接楼板取消。

通过上述塔楼和裙房各层楼层剪力对比，裙房刚度的大小直接影响塔楼和裙房连接位置内力重分布情况，楼层剪力传递主要发生在裙房第4层、第5层。在第4层、第5层位置，塔楼剪力约有10%～20%会传递至裙房，裙房与1号塔楼X向连接较强，在Y向连接较弱，所以1号塔楼X向有较多剪力在连接位置梁板通过轴力传递到裙房结构，而Y向1号塔楼很少部分剪力通过在连接位置梁板通过剪力传递到裙房结构;对于2号塔楼，裙房对塔楼两个方向存在一定程度的约束刚度，所以2号塔楼对裙房两个方向内力传递相差不大。

对于各种不同的方案，塔楼与裙房之间内力分布规律是一致的。方案三中框架柱刚度退化50%导致裙房下部几层承担的剪力明显小于其他方案，原模型裙房第5层剪力为6 209 kN(X向)和4 398 kN(Y向)，方案三裙房第5层剪力为4 841 kN(X向)和3 347 kN(Y向)。方案四中由于把裙房改为纯框架结构，裙房的X向抗侧刚度有较大程度的降低(原结构裙房剪力墙大部分为X向)，所以在最下面几层裙房抗侧刚度和塔楼差别较大，裙房部分内力向塔楼传递，裙房仅承担小部分剪力，原模型裙房第1层剪力为6 360 kN(X向)和5 492 kN(Y向)，方案四裙房第1层剪力为3 386 kN(X向)和5 324 kN(Y向)。

塔楼和裙房内力主要通过五层(屋面层)传递，下面几层塔楼和裙房之间内力传递较少。而对应于第5层，塔楼和裙房之间剪力传递占塔楼剪力比例不大，连接范围较大，楼板应力分布均匀，所以楼面结构梁板附加应力较小，通过合理的配筋设置能够满足结构正常使用的工作要求。

通过上面的比较分析一定程度上反映出结构受力工作性能，应根据该双塔大底盘结果对结构实施必要的构造加强措施。

1)裙房与塔楼连接位置的钢筋混凝土楼盖采用设防烈度地震荷载组合重力荷载工况计算得到内力进行配筋，从而使水平力作用下连接部分有足够的安全储备，保证裙房与塔楼相互作用的工作性能。2)由于塔楼在裙房顶层位置楼层剪力出现突变情况，出裙房顶部两层抗震等级同底部楼层均设为特一级。

4 结语

通过对合肥华润中心双塔大底盘结构进行内力应力分析、位移变形分析以及与单塔模型等各方面对比分析，得到以下结论:

1)双塔大底盘结构与单塔结构的工作性能差别比较大，裙房与塔楼的相互作用一定程度提高了塔楼的抗侧刚度。2)由于双塔大底盘结构在地震作用下出裙房屋面后楼层剪力有所放大，用单塔模型设计时，楼层地震剪力应作放大调整，并同时与双塔结构进行包络设计。3)水平力作用下，双塔大底盘结构塔楼部分楼层剪力在裙房顶层位置会出现突变现象，塔楼与裙房会通过连接部分进行不同程度的内力传递，要考虑叠加此传递的水平力进行配筋设计。4)裙房与塔楼的内力传递大小与裙房对塔楼约束刚度的大小存在直接联系。

［1］ 傅学怡.实用高层建筑结构设计［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［2］ 任 旭.高层建筑连体结构设计探讨［J］.工业建筑，2006(3):22-23.

［3］ 黄 瑾.某大底盘双塔连体高层结构抗震性能分析和设计［J］.建筑结构，2010(10):82-83.

［4］ 郑毅敏.杭州市民中心多塔连体结构设计研究［J］.建筑结构，2009(5):51-53.

［5］ 张春浓.凯晨广场多塔连体结构设计研究［J］.建筑结构，2008(7):18-19.