多塔大底盘工程的结构分析设计体会

李 璐

(太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024)

多塔大底盘工程的结构分析设计体会

李 璐

(太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024)

通过参与完成的多塔大底盘工程，总结出多塔大底盘结构设计中的结构分类、规范中的设计要求、计算模型的选择、切分方式等方面的一些经验方法，并通过具体的工程实例，用整体模型和离散模型分别进行计算，计算结果的数据比较,为今后类似工程提供了借鉴。

多塔大底盘，计算模型，变刚度调平设计

0 引言

为了满足现代城镇居民的生活需求，各地房地产建设中涌现出了许多多塔大底盘建筑。多塔结构底部几层大底盘可用作停车场、购物广场和休闲中心等，上部塔楼用作住宅、写字楼或者酒店。但是多塔建筑比单塔建筑的结构设计要复杂得多，如何按照规范精神，进行多塔结构的抗震设计与计算分析，成为结构设计中应当重点解决的问题。

本文即是基于这一发展形势下，通过参加设计的一个工程实例来研究多塔大底盘结构。

1 结构设计

1.1 多塔大底盘结构的分类

1.1.1 常见的几种形式

1)由地下室、裙房、多个塔楼三部分组成。含地下室的底部大裙房形成大底盘，将多栋塔楼连成一个整体。

2)由地下室和多个塔楼两部分组成。多个塔楼只通过地下室连成一体，没有裙房。

3)带缝多塔结构。由于设计需要，建筑结构被伸缩缝、抗震缝和沉降缝等分成若干部分，这类结构与一般多塔结构没有本质区别，只是多塔结构中塔楼与塔楼间距非常小的特例。

4)复杂多塔结构。它是在多塔结构上又增加了其他复杂结构，如带转换层、带加强层、连体、错层等。《高层规程》10.1.4条指出：“7度和8度抗震设计的高层建筑不宜同时采用超过两种复杂结构”。

1.1.2 从体型特点看，多塔结构大体上又可分为紧凑型和分散型两种形式

1)紧凑型多塔结构，即各塔楼之间距离比较近，或是裙房层数相对较多、裙房部分比较高等，此时如在各塔下采用“45°线分割法”对各塔分割时，各塔剖出的底盘部分会存在相交部分，紧凑型的多塔结构中的各塔的受力状态受其他塔楼影响比较大，如图1a)所示。

2)分散型多塔结构，即各塔楼之间相隔比较远，各塔楼之间相互影响会比较小，如图1b)所示。

1.2 规范中的设计要求

依据《高规》10.6.3.1条要求，抗震设计时，多塔结构平、立面布置应遵循以下原则：“各塔楼的层数、平面和刚度宜接近；塔楼对底盘宜对称布置；上部塔楼结构的综合质心与底盘结构质心的距离不宜大于底盘相应边长的20%”，如果多塔结构各塔楼层数、刚度相差较大，或平面布置不对称，各塔楼通过大底盘产生的相互作用就变得比较突出，结构扭转效应也将增大，从而使得后续设计难度大大增加。如图2所示，其中圆圈标示处为软件计算的大底盘质心位置，加粗方框所围区域表示上部有塔楼存在，如果塔楼结构在Y向布置也存在偏心，应满足同样的要求。

《高规》10.6.2条对多塔结构楼板的构造及加强措施进行了说明：“多塔楼结构以及体型收进、悬挑结构，竖向体型突变部位的楼板宜加强，楼板厚度不宜小于150 mm，宜双层双向配筋，每层每方向钢筋网的配筋率不宜小于0.25%。体型突变部位上、下层结构的楼板也应加强构造措施”。即底盘屋面楼板厚度不宜小于150 mm(如图3所示)，底盘屋面上、下层结构的楼板也应加强构造措施。

依据《高规》10.6.3.2条要求，抗震设计时，转换层的设置要求：“转换层不宜设置在底盘屋面的上层塔楼内”。震害和计算分析表明，转换层宜设置在底盘楼层范围内，不宜设置在底盘以上的塔楼内，如图3所示。若转换层设置在底盘屋面的上层塔楼内时，易形成结构薄弱部位，不利于结构抗震，应尽量避免；否则应采取有效的抗震措施，包括增大构件内力、提高抗震等级等。

依据《高规》10.6.3.3条要求，抗震设计时，对梁、柱、墙的加强措施做出了规定：“塔楼中与裙房相连的外围柱、剪力墙，从固定端至裙房屋面上一层的高度范围内，柱纵向钢筋的最小配筋率宜适当提高，剪力墙宜按本规程第7.2.15条的规定设置约束边缘构件，柱箍筋宜在裙楼屋面上、下层的范围内全高加密；当塔楼结构相对于底盘结构偏心收进时，应加强底盘周边竖向构件的配筋构造措施”，如图4所示。

《抗震规范》6.1.3.2条对多塔结构抗震等级选取应视塔楼和裙楼两者连接关系而定：“裙房与主楼相连，除应按裙房本身确定抗震等级外，相关范围不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶板对应的相邻上下各一层应适当加强抗震构造措施。裙房与主楼分离时，应按裙房本身确定抗震等级”。《抗震规范》6.1.3.3条对地下室的抗震等级做了说明：“当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级。地下室中无上部结构的部分，抗震构造措施的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级”。

1.3 多塔结构的计算方式

1.3.1 多塔大底盘结构的计算模型

1)离散模型：切分大底盘，将各个塔分成完全独立的单塔结构分别计算分析。

2)整体模型：将各塔楼和底盘作为一个整体结构计算分析。

1.3.2 多塔大底盘结构的切分方法

1)最常用的是“45°斜线切分法”，即从塔楼与裙房顶板交界处作45°向外斜线交于裙房或地下室底部，斜线范围内的裙房和地下室构件全部保留，底盘的其他部分及其他塔全部删除。这一做法也可以简单地概括为：大底盘多高就切多宽。

2)如果多塔结构的大底盘层数较多(相对于整个结构楼层数而言)，或者是紧凑型多塔结构，此时分塔模型的确定比较困难，应灵活处理。

采用切分多塔结构的离散模型，是不得已而为之的方法，显然这并不是最理想的分析方式，因为其忽略了各塔通过底盘的相互影响。在各塔结构体系不一致，或塔楼层数、质量刚度相差很大，或塔楼布置不规则不对称，塔楼间的相互影响不能忽略时，应考虑采用其他补充计算分析方法，如弹性动力时程分析、弹塑性分析等。

1.3.3 变多塔结构为单塔结构的分析方法

由于多塔结构需要切分并且采用两种模型计算分析，使计算难度加大，设计周期加长。但是在满足一定条件下，可以将多塔结构转变为单塔结构来进行计算，不必再切分裙房，使设计难度大大降低。

1)如多塔结构仅有地下室没有裙楼，在设计中可以采取措施使地下室顶板作为嵌固部位。对这种结构进行离散模型计算，不必切分地下室，可以将各个塔楼的地上部分分别按单塔进行抗震计算。

2)如多塔结构既有裙房又有地下室，将裙房设缝，仍可以仿照上面的做法，使地下室满足嵌固条件，将各塔楼及裙房地上部分沿缝切开，不切分地下室，分别按单塔结构计算分析。

3)如多塔结构没有地下室仅基础相连，将裙房设缝，各塔楼及裙房地上部分沿缝切开，分别按单塔结构计算分析。

2 工程实例

2.1 工程概况

本工程位于太原市高新技术产业开发区，占地面积14 255.2 m2，总建筑面积114 183.6 m2,建筑地下部分面积42 765.6 m2,1层～4层裙房部分面积17 519.6 m2，5层以上1号塔楼面积27 333.2 m2，2号塔楼面积26 565.2 m2。本项目地下3层为附建式人防地下室、设备用房、汽车库；地上部分1层～4层裙房为给写字楼配建服务的银行、商务用房、餐饮；5层～23层(1号塔楼和2号塔楼)为高端写字楼。建筑层高：地下1层4.7 m，地下2层5.0 m，地下3层3.9 m，地上1层～3层5.4 m，地上4层～22层4.2 m，23层3.6 m，建筑总高度99.6 m。其中1号塔楼和2号塔楼(-3层～23层)为框架—核心筒结构，除了两个塔楼部分(-3层～23层)的裙房(-3层～4层)为钢筋混凝土框架结构，无地上建筑的纯地下室部分为钢筋混凝土框架—剪力墙结构。基础形式为桩—承台+基础板。

建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。设计使用年限为50年。建筑抗震设防类别为A级高度标准设防类建筑(丙类)。地基基础设计等级为甲级。抗震等级：1号塔楼和2号塔楼(-3层～23层)地上1层以上为框架一级、核心筒一级，地下1层为框架一级、核心筒一级，地下2层为框架二级、核心筒二级，地下3层为框架三级、核心筒三级；除了两个塔楼部分(-3层～23层)的裙房(-3层～4层)地上1层以上为框架一级，地下1层为框架一级，地下2层为框架二级，地下3层为框架三级；无地上建筑的纯地下室部分为框架三级、剪力墙三级。 耐火等级为一级。地下室防水等级为二级。砌体施工质量等级为B级。人防抗力级别为甲类核6、常6级。

基本风压为0.45 kN/m2(按100年基准期)，地面粗糙度类别为C类，基本雪压为0.35 kN/m2(按50年基准期)。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组为第一组，设计特征周期0.45 s，建筑场地类别为Ⅲ类。

本工程根据勘察报告及建设单位要求，为满足地基承载力需求及较好地控制沉降，基础采用后注浆钢筋混凝土灌注桩+承台+基础板。所有桩桩径均为700 mm。1号塔楼和2号塔楼(-3层～23层)承台下工程桩有效桩长为30 m,桩数414根,桩端持力层为第10层(粉质粘土层)，工程桩单桩竖向承载力特征值不小于4 200 kN,极限承载力标准值不小于8 400 kN；其余柱承台下工程桩有效桩长为18 m,桩数378根,桩端持力层为第8层(中砂层)，工程桩单桩竖向承载力特征值不小于2 300 kN,极限承载力标准值不小于4 600 kN。

2.2 计算分析

通过PKPM软件建模计算分析，整体模型和离散模型的主要计算结果见表1～表5。

表1 周期比

表2～表4中Y方向位移比、承载力比、剪重比与X方向类似，从略。

3 结语

1)SATWE软件对多塔大底盘结构应采用整体模型和离散模型两种方法分别计算，并取不利结果进行设计。

2)周期比、0.2Q0调整应切分成单塔计算。

表2 位移比(X方向)

表3 承载力比(X方向)

表4 剪重比(X方向) %

表5 刚重比

3)其他控制参数及内力、配筋的计算，都可以整体计算，分塔输出结果，其结果与分塔计算的结果基本相同。

4)对于大底盘层数较少，各塔楼分布对称，且平、立面均较规则的分散型多塔结构，裙房以上楼层的内力与配筋按离散模型与整体模型计算结果是比较接近的，所以可以直接采用离散模型的计算结果进行后续设计，但大底盘楼层仍应以整体计算结果为准；相反，各塔楼体系不同、高度相差悬殊或者质量与刚度分布不均匀的多塔结构，以及紧凑型多塔结构，应以整体模型计算结果为准，此时分割模型只能起到结构方案的初步调整作用。

5)多塔大底盘基础采用变刚度调平概念设计，具体做法是“强化主体，弱化裙房”。本文举例的工程中基础采用后注浆钢筋混凝土灌注桩+承台+基础板，桩径相同，主楼采用长桩、密桩，裙房采用短桩、疏桩。

[1] 杨 星.PKPM结构软件从入门到精通[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 杨 星.PKPM结构软件工程应用及实例剖析[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 陈岱林，李云贵.PKPM多高层结构计算软件应用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4] JGJ 3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[5] GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

Structural analysis design experience of big base and multi-tower structure engineering

LI Lu

(AcademyofBuildingDesign,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Based on the experience of big base and multi-tower structure engineering, the paper summarizes some experience of big base and multi-tower structure design including the structural classification, design demands, computation model select and segmentation methods. Based on specific engineering examples, it respectively carries out calculation with overall model and discrete model, and compares the calculation results, which has provided some guidance for similar engineering.

big base and multi-tower structure, computation model, variable rigidity design

1009-6825(2014)11-0050-03

2014-02-08

李 璐(1981- )，女，工程师

TU318

A