大底盘多塔楼高层建筑的抗震设计分析

谢林秀

(福建众合开发建筑设计院 福建福州 350004)

大底盘多塔楼高层建筑的抗震设计分析

谢林秀

(福建众合开发建筑设计院 福建福州 350004)

以某一实际工程为例，结合多塔楼结构的受力特点，通过对不同的计算模型进行对比，选取不利结果进行包络设计。通过分析大底盘的楼板应力，找出楼板薄弱部位，进行相应加强，从而保证结构设计的合理安全。

大底盘多塔高层；抗震设计；计算模型；楼板应力分析；构造措施

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所谓多塔楼结构是指在结构嵌固部位以上，同一裙楼单元上部具有两个或两个以上塔楼的结构[2]。近年来，随着城市化进程的加快，建筑使用功能的局限，很多工程无法通过设置结构缝将塔楼分开，因此出现了越来越多的大底盘多塔楼高层建筑，然而有关这类结构抗震设计方面的研究比较有限。因此有必要对大底盘多塔楼高层建筑进行进一步的抗震分析，为工程设计提供参考。

对于裙楼为大底盘，上部为多塔楼的高层建筑，裙房大底盘协调多塔的振动，将多塔、裙房组成整体抗震单元，这是结构多塔楼模型体系成立的关键。多塔结构属于复杂高层结构，它的受力特点和计算分析比普通高层建筑要复杂，必须注意其计算分析的特殊性，其主要受力特点有以下几点：

(1)塔楼与大底盘的连接部位结构侧向刚度发生突变，在突变处极易形成薄弱部位；多塔结构在出裙房屋面处的平面布置变化较大，上部结构收进，上部的地震作用需要通过楼板传递到下部结构，楼板承担着较大的面内应力。因此体型突变部位的楼板应加厚并加强配筋，板面负弯矩配筋宜贯通。体型突变部位上、下层结构的楼板也应加强构造措施[1]。实际工程中若裙房大底盘遇大开洞局部削弱、平面出现弱连接或平面凹凸尺寸较大时，楼板受力复杂，容易产生较大的应力集中，应进行复杂楼板应力分析。

(2)多个塔楼相互影响，使结构振型复杂，容易产生扭转振动；多塔楼结构振型复杂，且高振型对结构内力的影响很大，当各塔楼结构的质量和刚度分布不均匀时，结构的扭转振动反应较大，高振型对内力的影响更为突出[1]。传统的单串联刚片体系，在质量和刚度分布较均匀时，其振型参与系数随振型阶数的增加而迅速减小，即高振型比低振型对地震作用的贡献要小得多，一般取前几阶振型即能满足地震作用的精度要求。但对多塔楼结构，此规律不复存在，某些甚至较多的低振型的参与系数很小甚至为零，而某些高振型的参与系数却较大，所以计算多塔楼结构的地震作用时，对振型的选择应注意此特点[4]。因此各塔楼的平面布置、层数、结构类型及竖向刚度宜接近；塔楼对底盘宜对称布置，减小塔楼和底盘的刚度偏心。计算分析时应选取合适的振型数，严格控制结构的周期比及扭转位移比，限制各塔楼的扭转。

(3)多塔结构振动形态较为复杂，单靠整体模型计算不容易判断结构的合理性；辅以分塔楼模型计算分析，取二者的不利结果进行设计较为稳妥。

通过分析总结《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[1]中大底盘多塔楼高层建筑的受力特点，以实际工程为例，对不同的计算模型进行对比，选取不利结果进行包络设计。通过分析大底盘的楼板应力，找出楼板薄弱部位，进行相应加强，希望能为类似结构提供一些参考。

1 实际工程不同计算模型的对比及楼板应力分析

1.1 工程概况

图1 大底盘双塔楼立面示意

本工程地下二层，地上三层裙房，裙房屋面以上为1#，2#双塔高层建筑。1#楼20层，为soho办公楼，建筑总高度93.1m，框架-剪力墙结构；2#楼22层，为写字楼，建筑总高度95.5m，框架-核心筒结构；裙房部分为框架结构，裙房屋面高度为16.5m。因底部裙房为大型商业，无法通过设置结构缝将塔楼分开，因此本工程按不设缝方案设计(图1)。

结构整体长约115m，宽约54m。塔楼相对大底盘的平面布置虽不对称，但因双塔高度相近，质心偏差小于20%。结构分析以YJK软件为主，辅以midas-building对YJK分析结果进行校核。主要地震计算参数如下：抗震设防烈度为7度；设计基本地震加速度值为0.10g；设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.65s；裙房梁板混凝土强度等级为C35。

图2 标准层平面简图(→Y向)

1.2 计算模型(图3)

(1)整体计算模型(模型一)，应作为大底盘多塔楼结构设计的基本计算模型，这一模型的计算结果主要用来考察塔楼综合质心与裙房质心的偏心对结构的扭转影响(尤其是塔楼结构)，考察整体结构(塔楼结构及裙房结构)的计算模型及主要计算指标，如周期、周期比、层间位移、位移比、各层的侧向刚度比、转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比、结构的倾覆力矩比等，与分塔计算模型的结果进行比较，并用于结构超限审查及施工图设计[2]。

(2)分塔计算模型(模型二)，可用于主体结构框架柱、剪力墙调整及转换层上、下刚度比的比较计算。模型二的分析，首先确保裙房在无塔楼剪力墙帮助下满足自身的可靠和安全，同时着重分析主塔楼上部的性能指标和安全性。采用模型二来进行主体结构的出裙房部分塔楼结构设计，并采用模型一、模型三结果进行校核，取其包络进行配筋设计。

(3)分塔计算模型(模型三)，各塔楼分塔计算(取塔楼及其裙房相关范围)，模型三主要验算塔楼结构的周期、周期比、层间位移、位移比、各层的侧向刚度比、转换层下部结构与

上部结构的等效侧向刚度比、结构的倾覆力矩比、剪力墙与框架柱的剪力比等整体计算指标，与整体计算模型一的计算结果进行比较并用于结构超限审查及施工图设计[2]。模型三在实际中基本不可能发生，但可验算两个主塔楼核心筒在裙房范围内的安全度以及上部框架柱调整后的反应。与其他两个模型比较发现，塔楼核心筒(剪力墙)因吸收部分裙房的地震力致使配筋加大。底部加强区剪力墙的设计以模型三为准，并以模型一进行校核，取其包络进行配筋设计。

模型一 模型二 模型三图3 计算模型简图

指标类别整体计算模型一分塔计算模型二分塔计算模型三1#2#1#2#1#2#结构自振周期(s)T1=28538 T4=22370T2=27069 T5=21275T3=25354T1=28387T2=27324T3=20301T1=29904T2=28053T3=26580T1=27490T2=25366T3=17379T1=28710T2=27041T3=24084第一扭转周期与第一平动周期的比值075072089063084最大层间位移角X风1/1264(13F)1/1466(11F)1/1164(13F)1/1383(11F)1/1259(13F)1/1470(11F)Y风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)层间受剪承载力比1F0960930940980952F1131041061201143F09710308911509115F106104105106107

1.3 不同计算模型指标对比

从(表1)各模型计算结果比较可以看出，当采用整体模型计算分析时，很难反应各分塔的不同扭转特性。如果仅分析整体模型的空间振动图去判断结构的扭转特性，要求设计人员具有较高的判断能力和实际工程经验，而分塔模型能简单的计算出各塔楼的周期比，准确反应各塔楼的扭转效应。如分塔模型计算指标反应出2#塔扭转偏大，可适当进行结构调整。因此，大底盘多塔高层结构的周期比应以分塔模型为准。当分塔高度较接近时，结构最大层间位移角、层间受剪承载力比各模型指标均较接近，且其他控制参数如位移比、剪重比等各模型计算结果也相差不大(限于篇幅，本文未提供计算数据)。通过对各模型计算数据的分析比较，可知大底盘多塔高层结构在地震时各塔的振动会通过大底盘相互影响，相互藕联。设计时，必须考虑各塔楼的平扭藕联振动和大底盘楼板平面内振动的影响，不能将其按传统的单塔楼结构进行计算，应进行各模型比较包络。对于大底盘多塔超限高层，尚应进行大底盘多塔结构弹塑性时程分析。

1.4 楼板应力分析

本工程因裙房中庭大开洞，裙房楼板削弱较多，平面不规则，楼板受力复杂，容易产生应力集中，需进行小震、中震下的楼板应力分析。

根据文[3]建议公式，楼板在小震作用下应满足：

σ1k,小震≤ftk

(1)

(1)式中： ftk为混凝土抗拉强度标准值；σ1k,小震为有地震作用效应组合时楼板在小震作用下楼板主拉应力标准值。

采用双层双向相同配筋时，中震作用下应满足：

σ1k,中震≤fyAs/γREhs

(2)

(2)式中：σ1k,中震为有地震作用效应组合时楼板在中震作用下的主拉应力设计值；fy为钢筋抗拉强度设计值；s为楼板钢筋间距；As表示在间距s范围内上下层水平钢筋的面积；h表示大底盘楼板厚度；γRE=0.85为承载力抗震调整系数。

本工程恒载、活载引起的楼板应力比地震作用产生的楼板应力小，因此取地震工况内力作为小震、中震的应力进行分析验算。计算时将整个大底盘楼板视为膜单元弹性板，上部各分塔楼板视为刚性板，以裙房屋面X向地震楼板应力分析为例。小震工况下，从(图4)可看出，楼板应力集中处的峰值约为1.3MPa，楼板混凝土强度等级为C35，抗拉强度标准值为2.2MPa，满足设计要求。中震工况下，如图5所示，中庭连接处及筒体开洞楼板削弱较多，产生应力集中，该处局部板厚h=180mm，配筋双面双向Φ12@140，能满足设计要求；其余裙房屋面板厚h=150mm，配筋双面双向Φ10@200，中震工况下均能满足设计要求。在进行大底盘多塔楼结构设计时，应重视大底盘楼板的应力分析，加强薄弱区域的板厚、配筋，同时保证楼板受力筋的抗震锚固，确保结构设计的安全。

图4 裙房屋面层X向小震应力分布图(MPa)

图5 裙房屋面层X向中震应力分布图(MPa)

2 大底盘多塔结构的构造加强措施

实际工程设计时，应结合大底盘多塔楼高层结构的受力特点按以下几点进行构造加强：

(1)多塔结构竖向体型突变部位的楼板宜加强，楼板厚度不宜小于150mm，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。

(2)裙房屋面板对保证塔楼和大底盘的协同工作作用明显，塔楼之间的裙房连接体以及塔楼中与裙房连接体相连的外围柱、剪力墙等，是保证大底盘与多塔楼整体工作的关键构件，应予加强。

(3) 对于多塔结构，剪力墙底部加强部位高度延伸至裙楼以上一层，裙房屋面上一层塔楼竖向构件抗震等级提高一级，柱纵筋的最小配筋率适当提高，柱箍筋在裙房屋面上、下层的范围全高加密。

(4)针对结构关键部位和薄弱部位，采取比规范更严格的配筋构造，增强结构在罕遇地震作用下的抗震能力。提高底部剪力墙竖向和水平分布筋配筋率、加强核心筒外墙连梁的抗剪配筋等。

3 结语

本文通过分析大底盘多塔楼高层建筑的受力特点，以实际工程为例，选择合理的计算模型，并采用较不利的结果进行包络设计；通过对大底盘楼板进行应力分析，找出楼板的薄弱部位，并采取相应的加强措施。从计算分析可知，本工程各项指标均满足规范要求，结构方案合理安全。以上内容仅为笔者在设计过程中的一些经验总结，尚有不足之处，有待进一步完善提高，敬请各位指正。

[1]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ3-2010[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]扶长生，刘春明，李永双.高层建筑薄弱连接混凝土楼板应力分析及抗震设计[J].建筑结构，2008,38(3)：106-110.

[4]包世华，张铜生.高层建筑结构设计和计算.下册[M].北京：清华大学出版社，2007.1.

[5]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范 [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

谢林秀(1986.06- )，女，工程师。

2015-06-23

TU973+.31

A

1004-6135(2015)09-0056-04