某大底盘多塔结构设计分析

刘国光

(福建省地质工程勘察院 福建福州 350003)

0 引言

随着我国经济的发展,集SOHO、商业、办公、影院等为一体的大型商业综合体建设数量越来越多,体量越来越大。建筑使用功能的要求，无法通过设置结构缝将塔楼分开，出现了大底盘多塔楼高层建筑。商业体内部由于设置中庭，商业体内街，楼面开大洞造成楼板连接薄弱。商业体内部设置多个跨层、跨缝的自动扶梯及交通连廊。本文结合某工程，就大底盘多塔高层建筑抗震设计相关问题进行探讨。

1 工程概况及实例

该工程拟建于福州市仓山区，建筑总面积约30万m2，其中地上建筑面积约21.4万m2，地下2层，建筑面积约8.6万m2。地上部分7幢塔楼，其中1#、2#、3#、5#、6#楼为高层SOHO，7#、8#为高层写字楼，底部大底盘裙房为大型商业。1#～8#塔楼为20～22层框架剪力墙结构，建筑高度89.5m～95.5m。裙房层数3～5层，高度16.5m～26.5m。二层建筑平面工程设计使用年限50年，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数取1.0，设计基本风压为0.7kN/ m2，地面粗糙度类别为C类。抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.1g；设计地震分组第三组，Ⅲ类场地，特征周期0.65s。

1.1 结构单元划分

裙房商业分为东区和西区2个部分，结构利用内街及抗震缝共分6个结构单元，结构单元划分示意图如图1所示。为使各主体结构受力简单独立，利用内街、出入口连廊分为东西2个区，连廊采用钢结梁构，与两侧结构柔性连接。东区设一条缝，共形成2个结构单元：1个单塔单元(7#)和1个双塔单元(1#、8#)。西区共形成4个结构单元：1个双塔单元(5#、6#)，2个独立塔楼单元(2# 和3#)，1个2#3#楼裙房单元。限于篇幅，本文仅对5#、6#双塔单元(以下简称5#、6#)进行相关讨论。

1.2 计算模型的选择

(1)计算模型一

大底盘、裙房整体计算。考虑地震作用下各塔楼间相互不利影响，作为大底盘裙房及基础设计依据，此为基本计算模型。计算裙房质心,塔楼综合质心,判别塔楼偏置情况。周期、周期比、层间位移、位移比、各层的侧向刚度比、结构的倾覆力矩比等，与分塔计算模型的结果进行比较。

(2)计算模型二

各塔楼及裙房切开分别计算，分析裙房、塔楼独立工作时性能指标。

(3)计算模型三

各塔楼带其裙房相关范围。大底盘多塔结构振动形态复杂，整体模型有时不易判断计算结果是否合理，此模型计算各塔周期比、位移比，各层的侧向刚度比，了解各塔扭转效应，判别平面是否规则。

实际构件配筋，以模型一、二、三进行包络设计，保证设计结果安全可靠，如图2所示。

图1 结构单元划分示意图

模型一 模型二 模型三图2 计算模型示意图

1.3 计算软件

主体结构，采用盈建科软件股份有限公司开发的YJK软件计算。PKPM结构计算软件补充计算，并对计算结果进行分析比较。采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法计算多遇地震作用下的内力和变形，同时考虑双向地震和偶然偏心的不利影响。考虑高振型的影响，有效质量系数大于90%。采用时程分析方法进行多遇地震补充计算。对平面不规则裙房楼板补充平面有限元分析。

1.4 建筑结构不规则性超限检查

依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)以下简称高规，经初步判断，5#、6#双塔单元可能存在需抗震设防专项审查及主要超限情况如下。

1.4.1建筑结构特别不规则性超限检查

竖向不规则： 5#、6#裙房高21.9m ,塔楼高89.5m，竖向构件收进位置高于结构高度20%，且收进大于25%。

塔楼偏置： 5#、6#塔楼X向综合偏心距28%，偏心距大于底盘相应边长20%；带大底盘的高层建筑，结构在大底盘上一层突然收进，属竖向不规则结构。

有关试验研究和计算表明，大底盘上有2个或多个塔楼时，地震作用下，各塔楼的振型既存在着相互独立性又相互有影响，多塔楼结构振型复杂，且高振型对结构内力影响大。当大底盘上的各塔楼高层建筑楼层数不同，质量和刚度不同，分布不均匀，且当各塔楼自身结构平面布置不对称时，结构竖向刚度突变加剧，扭转振动反应增大，高振型对结构内力影响更为突出，各塔楼的受力更为复杂不利。

塔楼在底盘上部突然收进，造成结构竖向刚度突变，如结构平面布置上又使塔楼与底盘偏心较大，则更加剧了结构的扭转振动反应。

对大底盘多塔楼高层建筑结构，仅根据塔楼的体型收进尺寸来判定是不够的，更重要的是，应根据建筑结构的体型收进对结构的侧向刚度是否造成剧烈变化，是否在变化部位造成应力集中和变形集中，是否产生结构的薄弱部位来判定。因此，判别大底盘单塔楼结构是否按复杂高层建筑结构设计，除应按《高规》第3.5.5条判别外，还宜加上《高规》第10.6.5条第1款：上部结构收进的底部楼层层间位移角不宜大于下部相邻区段最大层间位移角的1.15倍作为判别依据[1]。

5#、6#地震作用下层间位移角计算如图3所示。 计算结果表明，上部收进结构的底部楼层层间位移角为1/1601,与相邻下部区段的最大层间位移角为1/1742,比值为1.09，不大于1.15倍。

图3 5#、6#地震作用下层间位移角

1.4.2建筑结构一般不规则性超限检查

扭转位移比大于1.2，但扭转位移偏大处仅位于裙房局部点，不规则程度很小可不计入不规则的一项；仅裙房楼板不连续 ，5#、6# 裙房X向有效宽度(35% B)，有效宽度小于50%，开洞面积大于30%；二层门厅挑空楼面开洞较大引起的楼板不连续和穿层柱问题属于局部不规则，经分析比较，该局部不规则问题对整个结构的影响很小，可不计入不规则的一项。

1.4.3抗震超限情况及相应的应对措施

塔楼高度小于A级高度，裙房屋面高度仅略大于房屋总高度的20%，在主楼平面尺寸较小处竖向构件位置缩进大于25%，但在主楼平面尺寸较大处竖向构件位置缩进小于25%，不规则程度很小。综合判定，该工程可不按超限高层建筑进行设计。

针对多塔和塔楼偏置，采取以下措施加强：裙楼以上一层竖向构件抗震等级提高一级，柱及剪力墙纵筋的最小配筋率加大，柱箍筋全高加密。裙房屋面板厚度不小于150mm，双面双向配筋，配筋率不小于0.25%，其相邻上下层楼板厚度及配筋加强。针对5#、6#单元塔楼在裙房屋面体型收进；裙房周边及裙房屋面上二层塔楼周边竖向结构构件抗震等级提高一级；加强以下二层结构周边竖向构件的配筋构造措施。

1.5 多遇地震弹性时程分析

采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算。根据场地性质，选择5条天然地震波及2条人工波，地震波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。

时程分析法与振型分解反应谱法计算结果进行比较，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》4.3.5规定。

7条时程曲线X向及Y向层间位移角计算结果平均值均小于振型分解反应谱法计算结果，且均满足。规范1/800的要求。综上所述，时程分析计算结果满足规范要求。

1.6 复杂楼板应力分析

该工程为大底盘不对称双塔结构，裙楼商业内天井有楼板大开洞，存在凹凸不规则,大底盘连接2个塔楼处和塔楼与裙房处的楼板在高振型影响下产生较大应力，且应力集中，对大底盘进行地震作用下楼板应力分析。

多遇地震工况荷载组合：1.2(D+0.5L)+1.3EQ，设防地震工况荷载组合：1.0(D+0.5L)+1.0EQ。

分析结果如图4～图5所示。

楼板应力云图可以得出如下结论：由于所计算楼层均位于裙楼部位，地震作用下总体楼板应力水平较低，各分块裙楼楼板的应力分布规律基本一致。在X向地震作用下，楼板应力集中部位均主要出现于主楼核心筒中电梯门厅部位，该部位由于两侧梯井开洞造成楼板应力水平较高。 在小震工况下，大部分应力小于1.3N/mm2，仅局部最大应力值约为2.0N/mm2，需采取局部楼板加厚措施。 在中震工况下，采取局部楼板加厚措施后，最大拉应力值约为2.5N/mm2，采取附加板筋承受此应力。

图4 5#、6#楼2层板X向小震应力分布图(N/mm2)

图5 5#、6#楼2层板X向中震应力分布图(N/mm2)

设计时，根据上述应力计算结果，对应力集中及应力较大部位进行相应配筋加强和板厚加厚措施，以达到多遇地震时楼板内拉应力不大于混凝土抗拉强度标准值[2]，设防地震时保证板内实配钢筋受拉不屈服，拉应力全部由额外附加的板钢筋承受性能目标。

楼板不连续处理措施：采用符合楼板平面刚度变化的模型进行计算，并补充复杂楼板有限元应力分析，找出内力较大部位，对大开洞周边楼板和应力较大部位加大板厚和加强配筋[3]。该工程因裙房超长，尚应考虑楼面混凝土收缩、徐变以及温度作用下非荷载作用引起楼板应力，采取加大板厚及提高配筋率等措施。

1.7 架空连廊、自动扶梯的设计

大型商业建筑功能复杂，存在连廊及自动扶梯跨层、跨结构单元，必须考虑地震作用下连廊、自动扶梯的防脱落问题。

实际震害表明：跨度大、位置高的连廊容易发生破坏；跨度小、位置低的连廊震害轻，或基本没有损坏。两端建筑高度不同，或偏心设置在建筑物的端部连廊破坏严重。

架空连廊与两端建筑物主体结构的连接，可采用刚接或滑动连接。当架空连廊跨度较小，所在楼层高度较低时，可采用滑动支座。支座滑移量应满足在罕遇地震作用下的位移要求。滑动支座可以采用由主体结构伸出一段悬臂支座的方法，不宜采用将连廊梁搁置在主体结构牛腿上的方法。

该工程的连廊采用钢结构柔性连接处理：一个支撑端沿钢桥纵向滑动限位，沿钢桥横向铰接限位；另一个支撑端沿钢桥纵向、横向皆铰接限位。连廊滑动限位端节点示意图如图6所示。自动扶梯支座要求能够适应两端地震水平位移。设计要求每个扶梯的允许水平位移与结构单元间的防震缝宽度相同。

图6 连廊滑动限位端节点示意图

2 结论

(1)大底盘双塔结构塔楼偏心布置，竖向刚度突变，受高振型的影响大，扭转效应明显。设计时宜考虑塔楼和裙房的相互作用，多模型包络设计。对各个超限内容采取相应有效措施，并对结构的薄弱处采取相应措施加强，保证整体结构的安全及可靠。

(2)对超长不规则的大底盘多塔结构，应根据建筑的使用功能，结构受力合理的原则设置防震缝，划分结构单元。

(3)裙房顶层作为大底盘顶层，存在刚度突变，受力和变形复杂，宜对裙房顶板做有限元分析，根据分析结果加强薄弱部位，防止楼板开裂。

(4)对于建筑内部存在大面积的贯通中庭，局部设置窄连廊连接的建筑平面布局，建议此类连廊均按柔性连接处理，两侧结构形成独立的结构单元。楼板连接薄弱部位，应对楼板进行有限元分析，根据分析结果，加强薄弱部位，以保证楼板的配筋和断面满足楼面的整体受力要求。

参 考 文 献

[1] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] GB50010-2010(2015年版)混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3] 徐培福.架空连廊的震害及设计建议[J].建筑结构，2004(4).