多塔大底盤工程的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)體會(huì)

李 璐

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

多塔大底盤工程的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)體會(huì)

李 璐

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

通過參與完成的多塔大底盤工程，總結(jié)出多塔大底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)分類、規(guī)范中的設(shè)計(jì)要求、計(jì)算模型的選擇、切分方式等方面的一些經(jīng)驗(yàn)方法，并通過具體的工程實(shí)例，用整體模型和離散模型分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)比較,為今后類似工程提供了借鑒。

多塔大底盤，計(jì)算模型，變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)

0 引言

為了滿足現(xiàn)代城鎮(zhèn)居民的生活需求，各地房地產(chǎn)建設(shè)中涌現(xiàn)出了許多多塔大底盤建筑。多塔結(jié)構(gòu)底部幾層大底盤可用作停車場(chǎng)、購(gòu)物廣場(chǎng)和休閑中心等，上部塔樓用作住宅、寫字樓或者酒店。但是多塔建筑比單塔建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，如何按照規(guī)范精神，進(jìn)行多塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)解決的問題。

本文即是基于這一發(fā)展形勢(shì)下，通過參加設(shè)計(jì)的一個(gè)工程實(shí)例來(lái)研究多塔大底盤結(jié)構(gòu)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 多塔大底盤結(jié)構(gòu)的分類

1.1.1 常見的幾種形式

1)由地下室、裙房、多個(gè)塔樓三部分組成。含地下室的底部大裙房形成大底盤，將多棟塔樓連成一個(gè)整體。

2)由地下室和多個(gè)塔樓兩部分組成。多個(gè)塔樓只通過地下室連成一體，沒有裙房。

3)帶縫多塔結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計(jì)需要，建筑結(jié)構(gòu)被伸縮縫、抗震縫和沉降縫等分成若干部分，這類結(jié)構(gòu)與一般多塔結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)區(qū)別，只是多塔結(jié)構(gòu)中塔樓與塔樓間距非常小的特例。

4)復(fù)雜多塔結(jié)構(gòu)。它是在多塔結(jié)構(gòu)上又增加了其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如帶轉(zhuǎn)換層、帶加強(qiáng)層、連體、錯(cuò)層等?！陡邔右?guī)程》10.1.4條指出：“7度和8度抗震設(shè)計(jì)的高層建筑不宜同時(shí)采用超過兩種復(fù)雜結(jié)構(gòu)”。

1.1.2 從體型特點(diǎn)看，多塔結(jié)構(gòu)大體上又可分為緊湊型和分散型兩種形式

1)緊湊型多塔結(jié)構(gòu)，即各塔樓之間距離比較近，或是裙房層數(shù)相對(duì)較多、裙房部分比較高等，此時(shí)如在各塔下采用“45°線分割法”對(duì)各塔分割時(shí)，各塔剖出的底盤部分會(huì)存在相交部分，緊湊型的多塔結(jié)構(gòu)中的各塔的受力狀態(tài)受其他塔樓影響比較大，如圖1a)所示。

2)分散型多塔結(jié)構(gòu)，即各塔樓之間相隔比較遠(yuǎn)，各塔樓之間相互影響會(huì)比較小，如圖1b)所示。

1.2 規(guī)范中的設(shè)計(jì)要求

依據(jù)《高規(guī)》10.6.3.1條要求，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，多塔結(jié)構(gòu)平、立面布置應(yīng)遵循以下原則：“各塔樓的層數(shù)、平面和剛度宜接近；塔樓對(duì)底盤宜對(duì)稱布置；上部塔樓結(jié)構(gòu)的綜合質(zhì)心與底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心的距離不宜大于底盤相應(yīng)邊長(zhǎng)的20%”，如果多塔結(jié)構(gòu)各塔樓層數(shù)、剛度相差較大，或平面布置不對(duì)稱，各塔樓通過大底盤產(chǎn)生的相互作用就變得比較突出，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也將增大，從而使得后續(xù)設(shè)計(jì)難度大大增加。如圖2所示，其中圓圈標(biāo)示處為軟件計(jì)算的大底盤質(zhì)心位置，加粗方框所圍區(qū)域表示上部有塔樓存在，如果塔樓結(jié)構(gòu)在Y向布置也存在偏心，應(yīng)滿足同樣的要求。

《高規(guī)》10.6.2條對(duì)多塔結(jié)構(gòu)樓板的構(gòu)造及加強(qiáng)措施進(jìn)行了說(shuō)明：“多塔樓結(jié)構(gòu)以及體型收進(jìn)、懸挑結(jié)構(gòu)，豎向體型突變部位的樓板宜加強(qiáng)，樓板厚度不宜小于150 mm，宜雙層雙向配筋，每層每方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不宜小于0.25%。體型突變部位上、下層結(jié)構(gòu)的樓板也應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施”。即底盤屋面樓板厚度不宜小于150 mm(如圖3所示)，底盤屋面上、下層結(jié)構(gòu)的樓板也應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施。

依據(jù)《高規(guī)》10.6.3.2條要求，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)換層的設(shè)置要求：“轉(zhuǎn)換層不宜設(shè)置在底盤屋面的上層塔樓內(nèi)”。震害和計(jì)算分析表明，轉(zhuǎn)換層宜設(shè)置在底盤樓層范圍內(nèi)，不宜設(shè)置在底盤以上的塔樓內(nèi)，如圖3所示。若轉(zhuǎn)換層設(shè)置在底盤屋面的上層塔樓內(nèi)時(shí)，易形成結(jié)構(gòu)薄弱部位，不利于結(jié)構(gòu)抗震，應(yīng)盡量避免；否則應(yīng)采取有效的抗震措施，包括增大構(gòu)件內(nèi)力、提高抗震等級(jí)等。

依據(jù)《高規(guī)》10.6.3.3條要求，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)梁、柱、墻的加強(qiáng)措施做出了規(guī)定：“塔樓中與裙房相連的外圍柱、剪力墻，從固定端至裙房屋面上一層的高度范圍內(nèi)，柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當(dāng)提高，剪力墻宜按本規(guī)程第7.2.15條的規(guī)定設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，柱箍筋宜在裙樓屋面上、下層的范圍內(nèi)全高加密；當(dāng)塔樓結(jié)構(gòu)相對(duì)于底盤結(jié)構(gòu)偏心收進(jìn)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)底盤周邊豎向構(gòu)件的配筋構(gòu)造措施”，如圖4所示。

《抗震規(guī)范》6.1.3.2條對(duì)多塔結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)選取應(yīng)視塔樓和裙樓兩者連接關(guān)系而定：“裙房與主樓相連，除應(yīng)按裙房本身確定抗震等級(jí)外，相關(guān)范圍不應(yīng)低于主樓的抗震等級(jí)；主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂板對(duì)應(yīng)的相鄰上下各一層應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。裙房與主樓分離時(shí)，應(yīng)按裙房本身確定抗震等級(jí)”?！犊拐鹨?guī)范》6.1.3.3條對(duì)地下室的抗震等級(jí)做了說(shuō)明：“當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，地下一層以下抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)可逐層降低一級(jí)，但不應(yīng)低于四級(jí)。地下室中無(wú)上部結(jié)構(gòu)的部分，抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或四級(jí)”。

1.3 多塔結(jié)構(gòu)的計(jì)算方式

1.3.1 多塔大底盤結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型

1)離散模型：切分大底盤，將各個(gè)塔分成完全獨(dú)立的單塔結(jié)構(gòu)分別計(jì)算分析。

2)整體模型：將各塔樓和底盤作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

1.3.2 多塔大底盤結(jié)構(gòu)的切分方法

1)最常用的是“45°斜線切分法”，即從塔樓與裙房頂板交界處作45°向外斜線交于裙房或地下室底部，斜線范圍內(nèi)的裙房和地下室構(gòu)件全部保留，底盤的其他部分及其他塔全部刪除。這一做法也可以簡(jiǎn)單地概括為：大底盤多高就切多寬。

2)如果多塔結(jié)構(gòu)的大底盤層數(shù)較多(相對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)樓層數(shù)而言)，或者是緊湊型多塔結(jié)構(gòu)，此時(shí)分塔模型的確定比較困難，應(yīng)靈活處理。

采用切分多塔結(jié)構(gòu)的離散模型，是不得已而為之的方法，顯然這并不是最理想的分析方式，因?yàn)槠浜雎粤烁魉ㄟ^底盤的相互影響。在各塔結(jié)構(gòu)體系不一致，或塔樓層數(shù)、質(zhì)量剛度相差很大，或塔樓布置不規(guī)則不對(duì)稱，塔樓間的相互影響不能忽略時(shí)，應(yīng)考慮采用其他補(bǔ)充計(jì)算分析方法，如彈性動(dòng)力時(shí)程分析、彈塑性分析等。

1.3.3 變多塔結(jié)構(gòu)為單塔結(jié)構(gòu)的分析方法

由于多塔結(jié)構(gòu)需要切分并且采用兩種模型計(jì)算分析，使計(jì)算難度加大，設(shè)計(jì)周期加長(zhǎng)。但是在滿足一定條件下，可以將多塔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱嗡Y(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，不必再切分裙房，使設(shè)計(jì)難度大大降低。

1)如多塔結(jié)構(gòu)僅有地下室沒有裙樓，在設(shè)計(jì)中可以采取措施使地下室頂板作為嵌固部位。對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散模型計(jì)算，不必切分地下室，可以將各個(gè)塔樓的地上部分分別按單塔進(jìn)行抗震計(jì)算。

2)如多塔結(jié)構(gòu)既有裙房又有地下室，將裙房設(shè)縫，仍可以仿照上面的做法，使地下室滿足嵌固條件，將各塔樓及裙房地上部分沿縫切開，不切分地下室，分別按單塔結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

3)如多塔結(jié)構(gòu)沒有地下室僅基礎(chǔ)相連，將裙房設(shè)縫，各塔樓及裙房地上部分沿縫切開，分別按單塔結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本工程位于太原市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，占地面積14 255.2 m2，總建筑面積114 183.6 m2,建筑地下部分面積42 765.6 m2,1層～4層裙房部分面積17 519.6 m2，5層以上1號(hào)塔樓面積27 333.2 m2，2號(hào)塔樓面積26 565.2 m2。本項(xiàng)目地下3層為附建式人防地下室、設(shè)備用房、汽車庫(kù)；地上部分1層～4層裙房為給寫字樓配建服務(wù)的銀行、商務(wù)用房、餐飲；5層～23層(1號(hào)塔樓和2號(hào)塔樓)為高端寫字樓。建筑層高：地下1層4.7 m，地下2層5.0 m，地下3層3.9 m，地上1層～3層5.4 m，地上4層～22層4.2 m，23層3.6 m，建筑總高度99.6 m。其中1號(hào)塔樓和2號(hào)塔樓(-3層～23層)為框架—核心筒結(jié)構(gòu)，除了兩個(gè)塔樓部分(-3層～23層)的裙房(-3層～4層)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，無(wú)地上建筑的純地下室部分為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)形式為樁—承臺(tái)+基礎(chǔ)板。

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。設(shè)計(jì)使用年限為50年。建筑抗震設(shè)防類別為A級(jí)高度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類建筑(丙類)。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)?？拐鸬燃?jí)：1號(hào)塔樓和2號(hào)塔樓(-3層～23層)地上1層以上為框架一級(jí)、核心筒一級(jí)，地下1層為框架一級(jí)、核心筒一級(jí)，地下2層為框架二級(jí)、核心筒二級(jí)，地下3層為框架三級(jí)、核心筒三級(jí)；除了兩個(gè)塔樓部分(-3層～23層)的裙房(-3層～4層)地上1層以上為框架一級(jí)，地下1層為框架一級(jí)，地下2層為框架二級(jí)，地下3層為框架三級(jí)；無(wú)地上建筑的純地下室部分為框架三級(jí)、剪力墻三級(jí)。 耐火等級(jí)為一級(jí)。地下室防水等級(jí)為二級(jí)。砌體施工質(zhì)量等級(jí)為B級(jí)。人防抗力級(jí)別為甲類核6、常6級(jí)。

基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2(按100年基準(zhǔn)期)，地面粗糙度類別為C類，基本雪壓為0.35 kN/m2(按50年基準(zhǔn)期)?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)特征周期0.45 s，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

本工程根據(jù)勘察報(bào)告及建設(shè)單位要求，為滿足地基承載力需求及較好地控制沉降，基礎(chǔ)采用后注漿鋼筋混凝土灌注樁+承臺(tái)+基礎(chǔ)板。所有樁樁徑均為700 mm。1號(hào)塔樓和2號(hào)塔樓(-3層～23層)承臺(tái)下工程樁有效樁長(zhǎng)為30 m,樁數(shù)414根,樁端持力層為第10層(粉質(zhì)粘土層)，工程樁單樁豎向承載力特征值不小于4 200 kN,極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于8 400 kN；其余柱承臺(tái)下工程樁有效樁長(zhǎng)為18 m,樁數(shù)378根,樁端持力層為第8層(中砂層)，工程樁單樁豎向承載力特征值不小于2 300 kN,極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值不小于4 600 kN。

2.2 計(jì)算分析

通過PKPM軟件建模計(jì)算分析，整體模型和離散模型的主要計(jì)算結(jié)果見表1～表5。

表1 周期比

表2～表4中Y方向位移比、承載力比、剪重比與X方向類似，從略。

3 結(jié)語(yǔ)

1)SATWE軟件對(duì)多塔大底盤結(jié)構(gòu)應(yīng)采用整體模型和離散模型兩種方法分別計(jì)算，并取不利結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)周期比、0.2Q0調(diào)整應(yīng)切分成單塔計(jì)算。

表2 位移比(X方向)

表3 承載力比(X方向)

表4 剪重比(X方向) %

表5 剛重比

3)其他控制參數(shù)及內(nèi)力、配筋的計(jì)算，都可以整體計(jì)算，分塔輸出結(jié)果，其結(jié)果與分塔計(jì)算的結(jié)果基本相同。

4)對(duì)于大底盤層數(shù)較少，各塔樓分布對(duì)稱，且平、立面均較規(guī)則的分散型多塔結(jié)構(gòu)，裙房以上樓層的內(nèi)力與配筋按離散模型與整體模型計(jì)算結(jié)果是比較接近的，所以可以直接采用離散模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)，但大底盤樓層仍應(yīng)以整體計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)；相反，各塔樓體系不同、高度相差懸殊或者質(zhì)量與剛度分布不均勻的多塔結(jié)構(gòu)，以及緊湊型多塔結(jié)構(gòu)，應(yīng)以整體模型計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)，此時(shí)分割模型只能起到結(jié)構(gòu)方案的初步調(diào)整作用。

5)多塔大底盤基礎(chǔ)采用變剛度調(diào)平概念設(shè)計(jì)，具體做法是“強(qiáng)化主體，弱化裙房”。本文舉例的工程中基礎(chǔ)采用后注漿鋼筋混凝土灌注樁+承臺(tái)+基礎(chǔ)板，樁徑相同，主樓采用長(zhǎng)樁、密樁，裙房采用短樁、疏樁。

[1] 楊 星.PKPM結(jié)構(gòu)軟件從入門到精通[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 楊 星.PKPM結(jié)構(gòu)軟件工程應(yīng)用及實(shí)例剖析[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 陳岱林，李云貴.PKPM多高層結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件應(yīng)用指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[4] JGJ 3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[5] GB 50011-2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)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，工程師

TU318

A