大底盤不對稱雙塔結構自身特性對地震反應的影響

[摘要] 大底盤雙塔結構是多塔結構當中較為典型的一種結構形式，被廣泛的應用于高層建筑結構中，其抗震設計方法與傳統(tǒng)的結構體系有較大的不同。結合具體的工程實例，分析大底盤不對稱雙塔結構自身結構布置影響因素中底盤高度及底盤剛度對地震反應的影響。

[關鍵字] 大底盤；雙塔結構；地震反應；高度；剛度

1.引言

高層建筑是社會需求與經(jīng)濟繁榮、科技進步的產(chǎn)物。隨著對高層建筑使用功能要求的日趨復雜，高層建筑數(shù)量的日漸增多，高度的不斷提升，結構形式的不斷發(fā)展，衍生出了適應現(xiàn)代化城市發(fā)展要求的建筑結構體系——大底盤多塔樓結構，此類建筑具有優(yōu)美的建筑造型和較高的土地使用率，成為一種實際工程中被廣泛應用的復雜高層結構，同時也是一種較為常見的高層建筑形式。

本文結合具體的工程實例，對多塔結構中比較有代表性的雙塔結進行分析，探討大底盤不對稱雙塔結構自身結構布置影響因素中底盤高度及底盤剛度對地震反應的影響。

2.工程概況

山東某大型商住樓，總建筑面積20萬平方米，由購物中心、超五星酒店、高檔寫字樓、公寓及住宅等組成，集購物、休閑、餐飲、文化、娛樂等多種功能于一體，形成獨立的大型商圈，現(xiàn)已建成并投入使用。

地下負一層為大型超市和車庫，地下負二層為車庫和設備用房，地上1～4層為商業(yè)網(wǎng)點，皆為框架結構；4層以上為住宅及公寓，其中塔1為32層，框支剪力墻結構，高度為99m，塔2為45層，框架筒體結構，結構高度為149m。該工程結構設計要求使用年限為50年，結構安全等級二級，抗震設防烈度6度，基本地震加速度為0.05g，場地類別為Ⅰ類，基本風壓為0.7KN/m2，設計地震分組為第二組，周期折減系數(shù)為0.8。

3.計算模型

本結構采用串并聯(lián)剛片系層模型，該模型是高層建筑結構中最為常見的分析模型，其在引入樓板平面內無限剛、樓板平面外剛度為零的假定后，將每層樓板簡化為具有一定平面尺寸和轉動慣量的剛片，每個剛片具有X，Y，三個自由度，樓層的質量集中于剛片的質心。在雙塔結構中，引入分塊無限剛假定后，將各塔樓形成的幾個并聯(lián)的串聯(lián)剛片與底盤串聯(lián)剛片在主節(jié)點連接后，就形成了如圖2所示的串并聯(lián)剛片系層模型。在這種模型中，各樓層的側向剛度矩陣是引入剛性樓板假定后通過總剛凝聚而成的[3]。

4 結構地震反應特性

4.1大底盤雙塔結構底盤高度對結構地震反應的影響

高層雙塔大底盤結構的底盤層數(shù)一般約為2-6層，但是上部塔樓的層數(shù)高度卻有數(shù)十層，兩者差異很大，那么塔樓與底盤的差值必然使得不同結構在地震反應中有較大的區(qū)別。以計算模型中底盤層數(shù)的改變?yōu)閷ο笱芯康妆P與塔樓相對高度對結構地震反應的影響。底盤高度與結構總高度的比值用h/H表示，根據(jù)實際工程情況，底盤不超過結構總高度的一半，無特殊說明以X方向地震作用效應進行對比，抗震設防烈度為6度（0.05g）。采用建研院開發(fā)的SATWE軟件，并進行彈性時程分析，經(jīng)分析比較采用SATWE的計算結果[1]。

本算例因底盤結構層高是5100mm，塔1層高是2900mm，塔2層高是3100mm，因此塔樓層數(shù)增加時，結構總高度、質量均會增大。地震作用下結構樓層剪力均在底盤底層也就是結構底層，從圖中可以看出，隨著塔樓層數(shù)增多，曲線為上升的趨勢，但略有起伏。當h/H從0.1451增加到0.1769時，地震作用下結構的底盤底部樓層剪力值遞升較快，在0.1769到0.2383之間，總剪力增長有些起伏但是總體增長要明顯緩慢，當h/H大于0.2383以后，剪力值略有下降。如果考慮結構總質量增加的因素，從曲線上可以看出，雙塔結構底盤較高能適當?shù)販p小結構的地震總剪力。

雙塔結構底盤高度與結構總高度的比值h/H增大時結構頂層的樓層位移曲線增大。從曲線可以看出，h/H由0.1451增加到0.2080時，曲線上升較緩，當0.4785大于以后，曲線上升較快。底盤高度的比值在一定的范圍內增大，結構的整體抗側剛度將明顯增大，結構頂層樓層位移將相應的減小。但是當?shù)妆P高度過大，塔樓高度不占主導地位時，結構頂層位移會稍有加大。根據(jù)層間位移曲線示意圖6可以看出，當?shù)妆P層數(shù)相對較多的時，結構最大層間位移隨著底盤層數(shù)的增加而上移。在計算的算例中，結構的最大層間位移角都出現(xiàn)在塔樓內，因此可以比較結構的最大層間位移值。由此說明底盤過高對塔樓的位移不太有利，當?shù)妆P過高以后塔樓與底盤之間需要設置高位轉換層，對結構抗震不利，因此工程底盤高度一般都不超過結構總高度的一半。

4.2大底盤雙塔結構底盤剛度對結構地震反應的影響

結構底盤剛度的變化實際上就是結構底盤與塔樓之間剛度比值的變化，由于結構剛度變化十分復雜，而且結構剛度中的彎曲剛度、剪切剛度和扭轉剛度等的不同，對結構的地震作用效應都會產(chǎn)生影響，因此要全面把握是比較困難的，本小節(jié)就雙塔結構底盤剛度的增大來簡單比較結構地震作用效應的變化。

與普通高層結構相似，底盤剛度增大后，結構的各類地震力有所增大，結構的位移減小，但是對結構的第一平動與扭轉周期的影響不會太大。因為自振周期主要以塔樓的振動為主，底盤剛度的影響很小，而且周期比變化不大。在地震力作用下，結構底盤的樓層最大地震力增大較多。本算例底盤頂層樓層最大地震力增大到原來算例的102.3%，而結構的底層最大地震剪力增大為原算例的112.8%。樓層的最大位移則由所減小，為原算例的81.9%，最大層間位移角和最大層間位移也略有減小，最大層間位移減小為原算例的85.7%。因此底盤剛度增大以后雙塔地震反應的變化特點與普通高層結構是類似的，只是雙塔結構的周期主要由塔樓控制，因此對結構的周期影響不大。如果需要減小雙塔結構的位移與扭轉，簡單加強底盤剛度效果不是很理想，應該合適增大塔樓剛度。

5.《高規(guī)》[2]關于大底盤多塔結構設計的規(guī)定

在結構設計當中需要滿足規(guī)范當中所要求的規(guī)定，以滿足結構設計標準?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規(guī)程》將雙塔及多塔結構統(tǒng)按多塔樓結構進行設計，并將其歸為復雜高層建筑結構，其主要的設計規(guī)定有：

（1）多塔樓建筑結構各塔樓的層數(shù)、平面和剛度宜接近；塔樓對底盤宜對稱布置。塔樓結構與底盤結構質心的距離不宜大于底盤相應邊長的20%。

（2）抗震設計時，對多塔樓（含單塔樓）結構的底部薄弱部位予以特別加強；塔樓中與裙房連接體相連的外圍柱、剪力墻，從固定端至裙房屋面上一層的高度范圍內，柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當提高，柱箍筋宜在裙樓屋面上、下層的范圍內全高加密，剪力墻宜設置約束邊緣構件。當塔樓為底部帶轉換層結構時，應滿足《高規(guī)》10.2節(jié)的各項規(guī)定[4]。

（3）為保證多塔樓（含單塔樓）建筑底盤與塔樓的整體作用，底盤屋面樓板厚度不宜小于150mm，并應加強配筋構造；底盤屋面上、下層結構的樓層也應加強構造措施；連接體結構應加強構造措施，連接體結構的邊梁截面宜加大，樓板厚度不宜小于150mm，宜采用雙層雙向鋼筋網(wǎng)，每層每方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不宜小于0.25%。

（4）大底盤多塔結構，宜按整體模型和各塔分開的模型分別計算，并采用較不利的結構進行結構設計。當塔樓周邊的裙梁超過兩跨時，分塔樓模型宜至少附帶兩跨的裙梁結構。并且計算模型需要分別驗算整體結構和各塔樓結構扭轉為主的第一周期與平動為主的第一周期的比值，即結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、超過A級高度的混合結構及《高規(guī)》規(guī)程第10章所指的復雜高層建筑不應大于0.85。

6.結語

由此可見，在結構主要地震作用效應上，底盤層數(shù)不同引起的結果，有利有弊，應根據(jù)結構的建筑功能，在符合相應規(guī)范的標準下，針對結構薄弱層及薄弱部位進行具體分析，結合工程實際情況完成設計，以達到工程結構設計在安全性及經(jīng)濟性上的合理性。

參考文獻

[1]建筑抗震設計規(guī)范（GB50011-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

[2]高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（JBJ3-2010）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

[3]沉蒲生.多塔與連體高層結構設計與施工.機械工業(yè)出版社，2008，8

[4]李國慶，胡慶昌.高層混凝土結構抗震設計要點、難點及實例，2009，7