多塔復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊蘇敏

摘要：隨著現(xiàn)今建筑設(shè)計水平日益提高，為滿足建筑體型多樣化和建筑多功能要求，越來越多樣式的大底盤多塔高層結(jié)構(gòu)在各地房屋建設(shè)中出現(xiàn)。但是其結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，并會產(chǎn)生復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)振動，如結(jié)構(gòu)布置不當，豎向剛度突變、扭轉(zhuǎn)振動反應(yīng)及高振型影響將會加劇，因此其振動特性、受力性能、破壞形式、分析模型及計算方法要比一般高層建筑復(fù)雜得多。本文即詳細闡述了多塔復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點和設(shè)計中的其他關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：多塔；復(fù)雜高層；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震；嵌固端

一、多塔大底盤結(jié)構(gòu)分類及抗震設(shè)計要點

（一）多塔大底盤結(jié)構(gòu)分類

多塔大底盤結(jié)構(gòu)大致可以分為三類：

1、一般多塔結(jié)構(gòu)，在多棟多高層建筑的底部有一個連成整體的大裙房（含

地下室）形成大底盤。這類多塔結(jié)構(gòu)在住宅小區(qū)和商住綜合樓建設(shè)中應(yīng)用十分普遍，是本文探討的重點。

2、帶縫多塔結(jié)構(gòu)，由于設(shè)計需要，建筑結(jié)構(gòu)被伸縮縫、抗震縫和沉降縫等分成若干部分。

3、復(fù)雜多塔結(jié)構(gòu)，它是在多塔結(jié)構(gòu)上增加了其它復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如帶轉(zhuǎn)換層、帶加強層、連體、錯層等。

（二）多塔復(fù)雜高層的抗震設(shè)計要點

大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)體系的主要特點是：在多棟獨立的高層建筑底部有一個連成整體的大裙房（含地下室）形成大底盤，而在大底盤上一層結(jié)構(gòu)會突然收進，屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)；大底盤上有2個或多個塔樓時，結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，并會產(chǎn)生復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)振動，因此如果結(jié)構(gòu)布置不當或是豎向剛度突變，會使扭轉(zhuǎn)振動反應(yīng)及高振型影響加劇；塔樓與底盤的結(jié)合部結(jié)構(gòu)豎向剛度和抗力容易發(fā)生突變，將形成薄弱部位。因此規(guī)范對該結(jié)構(gòu)提出了比較詳細的抗震措施要求。在多塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，應(yīng)從概念設(shè)計出發(fā)，重視結(jié)構(gòu)薄弱部位的分析，加強抗震構(gòu)造措施：

1、塔樓結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，且高振型對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大，當各塔樓質(zhì)量和剛度分布不均勻時結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動反應(yīng)較大。因此各塔樓的樓層數(shù)、平面布局、豎向剛度及結(jié)構(gòu)類型宜接近。

2、抗震設(shè)計時，與主樓相連的裙房抗震等級除符合自身設(shè)計要求外，不應(yīng)低于主樓的抗震等級。

3、為了保證大底盤與塔樓整體工作，底盤屋面板應(yīng)加厚，不宜小于160mm，板面負彎矩鋼筋宜貫通并應(yīng)加強配筋構(gòu)造措施；底盤屋面上下一層的樓板也應(yīng)加強構(gòu)造措施。

4、結(jié)構(gòu)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)，以避免高位轉(zhuǎn)換形式的結(jié)構(gòu)薄弱部位。

5、多塔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計，可通過計算確定是否需要設(shè)置沉降縫和后澆帶，或采取變剛度調(diào)平技術(shù)，使主樓與裙房的地基基礎(chǔ)有不同的豎向承載力，以減小差異沉降及其影響。

二、多塔復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的計算問題

（一）多塔大底盤結(jié)構(gòu)的計算分析

多塔結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，它的受力特點和計算分析比一般的高層建筑要復(fù)雜，必須注意到其計算分析的特殊性，不能簡單采用普通多高層結(jié)構(gòu)的分析方法。

多塔之間各地震周期的互相干擾，是否需要分開計算。一段時間以來，大底盤多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn)，而在計算分析該類型高層建筑時，是將結(jié)構(gòu)作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開進行計算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問題。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求，但是對某一座塔樓的地震力計算誤差仍然有可能較大，從而使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。

（二）計算程序及模型注意事項

1、多塔結(jié)構(gòu)必須在“多塔結(jié)構(gòu)補充定義”菜單中執(zhí)行“多塔定義”命令，在提示區(qū)輸入各塔樓的起始層號、終止層號和塔數(shù)，然后用閉合折線圍區(qū)方式依次指定各塔的范圍。

2、多塔定義時，要特別注意三條原則：任意一個節(jié)點必須位于某一圍區(qū)內(nèi)，每一個節(jié)點只能位于一個圍區(qū)內(nèi)，每個圍區(qū)至少有一個節(jié)點。

3、帶縫多塔結(jié)構(gòu)的縫隙通常很窄，縫隙面不是迎風(fēng)面，縫隙兩邊墻的風(fēng)荷載很小或沒有，因此該類結(jié)構(gòu)還應(yīng)執(zhí)行“遮檔定義”命令。

4、多塔結(jié)構(gòu)的各個塔樓可以有不同的樓層高度，不同的構(gòu)件抗震等級，不同的砼標號和鋼構(gòu)件的鋼號。這些可以在“特殊構(gòu)件補充定義”和“多塔立面”中分別設(shè)定。

5、為了提高多塔結(jié)構(gòu)的建模效率，PKPM 軟件提供了“工程拼裝”命令，可以將分別建立好的多個單塔樓模型直接拼接到一個大底盤模型上，并且保留各塔樓己經(jīng)布置的荷載，使多人協(xié)同設(shè)計成為可能。

6、多塔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置時，結(jié)構(gòu)體系應(yīng)設(shè)定為“復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)”，計算振型數(shù)的取值不應(yīng)小于塔樓數(shù)的9倍，并使平動及扭轉(zhuǎn)振型的有效質(zhì)量都不小于90%。當扭轉(zhuǎn)不大時，扭轉(zhuǎn)振型可不滿足90%，但應(yīng)設(shè)置全樓地震放大系數(shù)。

三、多塔復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題

（一）嵌固端的選擇

高層建筑在結(jié)構(gòu)分析計算之前必須首先確定結(jié)構(gòu)嵌固端所在位置。當結(jié)構(gòu)剛度較大，地下室層數(shù)較少時，對嵌固端以上部分進行單獨的結(jié)構(gòu)分析，除周期以外的結(jié)構(gòu)控制指標以及相應(yīng)地上部分的受力分析結(jié)果和實際情況差別并不大。而在多層地下室情況下，若忽略地下室影響單獨取各塔結(jié)構(gòu)分析，其計算結(jié)果和配筋數(shù)據(jù)是偏于不安全的，則要以整體模型為工程設(shè)計依據(jù)。

對于地下室層數(shù)較少的情況，最好的辦法是使各單體在地下室頂面嵌固，避免成為多塔復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于嵌固端的要求：高層建筑結(jié)構(gòu)計算中，當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固時，地下室的樓層側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度的2倍?！督ㄖY(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》要求：地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時，應(yīng)避免在地下室頂板開洞口，并應(yīng)采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，其樓板厚度不宜小于180mm，混凝土強度等級不宜小于C30，應(yīng)采用雙層雙向配筋；且每層每個方向的配筋率不宜小于0.25%。由規(guī)范可知：將地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位需要考慮兩個方面的問題，一是地下室與地上1層的側(cè)向剛度比要求，另一方面是地下室頂板的剛性要求。

一般情況下，這些控制條件較容易滿足。當?shù)叵率也荒軡M足嵌固部位的樓層側(cè)向剛度比規(guī)定時，可通過增大豎向構(gòu)件的截面和增加構(gòu)件的數(shù)量來加大地下室樓層的側(cè)向剛度。如主樓范圍以內(nèi)的側(cè)向剛度無法滿足時，把地下室向兩個水平方向分別取地下室一層層高的2倍作為計算地下室剛度的有效范圍是可行的，引起的誤差處于工程允許的范圍內(nèi)。一般情況下，可近似地計入沿主樓周邊外擴一跨，或45°線延伸至底板范圍內(nèi)的豎向構(gòu)件的抗側(cè)剛度。

（二）地基基礎(chǔ)設(shè)計的差異沉降控制

在高層建筑、地基與基礎(chǔ)的相互作用下，由于基礎(chǔ)對高層建筑荷載的擴散作用，存在一個以塔樓為中心的“共同作用有效范圍”。以各塔樓下面一定范圍的區(qū)域為沉降中心，基礎(chǔ)沉降變形各自沿徑向向外衰減，并在共同的影響范圍內(nèi)相互疊加；地基反力也是以各塔樓下面某一區(qū)域為中心，通過塔樓的裙房基礎(chǔ)沿徑向向外擴散，并在共同的荷載擴散范圍內(nèi)相互疊加。

當需要減薄裙房筏板厚度以節(jié)省材料時，或者設(shè)置后澆帶以調(diào)節(jié)基礎(chǔ)筏板變形時，變截面位置或后澆帶位置應(yīng)設(shè)在“有效共同作用范圍”外，通常將該范圍界定在主樓沿周邊擴一跨外。

大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)由于高層主樓與裙房或地下車庫的基礎(chǔ)連接成整體時，相互間的差異沉降是關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵性問題?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：高層建筑的基礎(chǔ)和與其相連的裙房基礎(chǔ)，當不設(shè)沉降縫時，應(yīng)采取有效措施減少差異沉降及其影響。

針對工程具體情況，如高層主樓和裙房或地下車庫基礎(chǔ)均采用樁基時，則按照變形調(diào)整原則或承載力計算確定各自樁的直徑、長度和數(shù)量，通過調(diào)整盡量使主樓和裙房的沉降一致，減小其差異沉降值；如高層主樓采用樁基，裙房或地下車庫可采取滿堂基礎(chǔ)的天然地基，使其與主樓沉降值接近。

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