大底盤多塔樓高層建筑的抗震設(shè)計分析

謝林秀

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計院 福建福州 350004)

大底盤多塔樓高層建筑的抗震設(shè)計分析

謝林秀

(福建眾合開發(fā)建筑設(shè)計院 福建福州 350004)

以某一實際工程為例，結(jié)合多塔樓結(jié)構(gòu)的受力特點，通過對不同的計算模型進行對比，選取不利結(jié)果進行包絡(luò)設(shè)計。通過分析大底盤的樓板應(yīng)力，找出樓板薄弱部位，進行相應(yīng)加強，從而保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理安全。

大底盤多塔高層；抗震設(shè)計；計算模型；樓板應(yīng)力分析；構(gòu)造措施

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所謂多塔樓結(jié)構(gòu)是指在結(jié)構(gòu)嵌固部位以上，同一裙樓單元上部具有兩個或兩個以上塔樓的結(jié)構(gòu)[2]。近年來，隨著城市化進程的加快，建筑使用功能的局限，很多工程無法通過設(shè)置結(jié)構(gòu)縫將塔樓分開，因此出現(xiàn)了越來越多的大底盤多塔樓高層建筑，然而有關(guān)這類結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方面的研究比較有限。因此有必要對大底盤多塔樓高層建筑進行進一步的抗震分析，為工程設(shè)計提供參考。

對于裙樓為大底盤，上部為多塔樓的高層建筑，裙房大底盤協(xié)調(diào)多塔的振動，將多塔、裙房組成整體抗震單元，這是結(jié)構(gòu)多塔樓模型體系成立的關(guān)鍵。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普通高層建筑要復(fù)雜，必須注意其計算分析的特殊性，其主要受力特點有以下幾點：

(1)塔樓與大底盤的連接部位結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度發(fā)生突變，在突變處極易形成薄弱部位；多塔結(jié)構(gòu)在出裙房屋面處的平面布置變化較大，上部結(jié)構(gòu)收進，上部的地震作用需要通過樓板傳遞到下部結(jié)構(gòu)，樓板承擔(dān)著較大的面內(nèi)應(yīng)力。因此體型突變部位的樓板應(yīng)加厚并加強配筋，板面負(fù)彎矩配筋宜貫通。體型突變部位上、下層結(jié)構(gòu)的樓板也應(yīng)加強構(gòu)造措施[1]。實際工程中若裙房大底盤遇大開洞局部削弱、平面出現(xiàn)弱連接或平面凹凸尺寸較大時，樓板受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，應(yīng)進行復(fù)雜樓板應(yīng)力分析。

(2)多個塔樓相互影響，使結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動；多塔樓結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，且高振型對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響很大，當(dāng)各塔樓結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布不均勻時，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動反應(yīng)較大，高振型對內(nèi)力的影響更為突出[1]。傳統(tǒng)的單串聯(lián)剛片體系，在質(zhì)量和剛度分布較均勻時，其振型參與系數(shù)隨振型階數(shù)的增加而迅速減小，即高振型比低振型對地震作用的貢獻(xiàn)要小得多，一般取前幾階振型即能滿足地震作用的精度要求。但對多塔樓結(jié)構(gòu)，此規(guī)律不復(fù)存在，某些甚至較多的低振型的參與系數(shù)很小甚至為零，而某些高振型的參與系數(shù)卻較大，所以計算多塔樓結(jié)構(gòu)的地震作用時，對振型的選擇應(yīng)注意此特點[4]。因此各塔樓的平面布置、層數(shù)、結(jié)構(gòu)類型及豎向剛度宜接近；塔樓對底盤宜對稱布置，減小塔樓和底盤的剛度偏心。計算分析時應(yīng)選取合適的振型數(shù)，嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的周期比及扭轉(zhuǎn)位移比，限制各塔樓的扭轉(zhuǎn)。

(3)多塔結(jié)構(gòu)振動形態(tài)較為復(fù)雜，單靠整體模型計算不容易判斷結(jié)構(gòu)的合理性；輔以分塔樓模型計算分析，取二者的不利結(jié)果進行設(shè)計較為穩(wěn)妥。

通過分析總結(jié)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)[1]中大底盤多塔樓高層建筑的受力特點，以實際工程為例，對不同的計算模型進行對比，選取不利結(jié)果進行包絡(luò)設(shè)計。通過分析大底盤的樓板應(yīng)力，找出樓板薄弱部位，進行相應(yīng)加強，希望能為類似結(jié)構(gòu)提供一些參考。

1 實際工程不同計算模型的對比及樓板應(yīng)力分析

1.1 工程概況

圖1 大底盤雙塔樓立面示意

本工程地下二層，地上三層裙房，裙房屋面以上為1#，2#雙塔高層建筑。1#樓20層，為soho辦公樓，建筑總高度93.1m，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；2#樓22層，為寫字樓，建筑總高度95.5m，框架-核心筒結(jié)構(gòu)；裙房部分為框架結(jié)構(gòu)，裙房屋面高度為16.5m。因底部裙房為大型商業(yè)，無法通過設(shè)置結(jié)構(gòu)縫將塔樓分開，因此本工程按不設(shè)縫方案設(shè)計(圖1)。

結(jié)構(gòu)整體長約115m，寬約54m。塔樓相對大底盤的平面布置雖不對稱，但因雙塔高度相近，質(zhì)心偏差小于20%。結(jié)構(gòu)分析以YJK軟件為主，輔以midas-building對YJK分析結(jié)果進行校核。主要地震計算參數(shù)如下：抗震設(shè)防烈度為7度；設(shè)計基本地震加速度值為0.10g；設(shè)計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.65s；裙房梁板混凝土強度等級為C35。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面簡圖(→Y向)

1.2 計算模型(圖3)

(1)整體計算模型(模型一)，應(yīng)作為大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本計算模型，這一模型的計算結(jié)果主要用來考察塔樓綜合質(zhì)心與裙房質(zhì)心的偏心對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)影響(尤其是塔樓結(jié)構(gòu))，考察整體結(jié)構(gòu)(塔樓結(jié)構(gòu)及裙房結(jié)構(gòu))的計算模型及主要計算指標(biāo)，如周期、周期比、層間位移、位移比、各層的側(cè)向剛度比、轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比、結(jié)構(gòu)的傾覆力矩比等，與分塔計算模型的結(jié)果進行比較，并用于結(jié)構(gòu)超限審查及施工圖設(shè)計[2]。

(2)分塔計算模型(模型二)，可用于主體結(jié)構(gòu)框架柱、剪力墻調(diào)整及轉(zhuǎn)換層上、下剛度比的比較計算。模型二的分析，首先確保裙房在無塔樓剪力墻幫助下滿足自身的可靠和安全，同時著重分析主塔樓上部的性能指標(biāo)和安全性。采用模型二來進行主體結(jié)構(gòu)的出裙房部分塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用模型一、模型三結(jié)果進行校核，取其包絡(luò)進行配筋設(shè)計。

(3)分塔計算模型(模型三)，各塔樓分塔計算(取塔樓及其裙房相關(guān)范圍)，模型三主要驗算塔樓結(jié)構(gòu)的周期、周期比、層間位移、位移比、各層的側(cè)向剛度比、轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與

上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比、結(jié)構(gòu)的傾覆力矩比、剪力墻與框架柱的剪力比等整體計算指標(biāo)，與整體計算模型一的計算結(jié)果進行比較并用于結(jié)構(gòu)超限審查及施工圖設(shè)計[2]。模型三在實際中基本不可能發(fā)生，但可驗算兩個主塔樓核心筒在裙房范圍內(nèi)的安全度以及上部框架柱調(diào)整后的反應(yīng)。與其他兩個模型比較發(fā)現(xiàn)，塔樓核心筒(剪力墻)因吸收部分裙房的地震力致使配筋加大。底部加強區(qū)剪力墻的設(shè)計以模型三為準(zhǔn)，并以模型一進行校核，取其包絡(luò)進行配筋設(shè)計。

模型一 模型二 模型三圖3 計算模型簡圖

指標(biāo)類別整體計算模型一分塔計算模型二分塔計算模型三1#2#1#2#1#2#結(jié)構(gòu)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第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比值075072089063084最大層間位移角X風(fēng)1/1264(13F)1/1466(11F)1/1164(13F)1/1383(11F)1/1259(13F)1/1470(11F)Y風(fēng)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)層間受剪承載力比1F0960930940980952F1131041061201143F09710308911509115F106104105106107

1.3 不同計算模型指標(biāo)對比

從(表1)各模型計算結(jié)果比較可以看出，當(dāng)采用整體模型計算分析時，很難反應(yīng)各分塔的不同扭轉(zhuǎn)特性。如果僅分析整體模型的空間振動圖去判斷結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)特性，要求設(shè)計人員具有較高的判斷能力和實際工程經(jīng)驗，而分塔模型能簡單的計算出各塔樓的周期比，準(zhǔn)確反應(yīng)各塔樓的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。如分塔模型計算指標(biāo)反應(yīng)出2#塔扭轉(zhuǎn)偏大，可適當(dāng)進行結(jié)構(gòu)調(diào)整。因此，大底盤多塔高層結(jié)構(gòu)的周期比應(yīng)以分塔模型為準(zhǔn)。當(dāng)分塔高度較接近時，結(jié)構(gòu)最大層間位移角、層間受剪承載力比各模型指標(biāo)均較接近，且其他控制參數(shù)如位移比、剪重比等各模型計算結(jié)果也相差不大(限于篇幅，本文未提供計算數(shù)據(jù))。通過對各模型計算數(shù)據(jù)的分析比較，可知大底盤多塔高層結(jié)構(gòu)在地震時各塔的振動會通過大底盤相互影響，相互藕聯(lián)。設(shè)計時，必須考慮各塔樓的平扭藕聯(lián)振動和大底盤樓板平面內(nèi)振動的影響，不能將其按傳統(tǒng)的單塔樓結(jié)構(gòu)進行計算，應(yīng)進行各模型比較包絡(luò)。對于大底盤多塔超限高層，尚應(yīng)進行大底盤多塔結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析。

1.4 樓板應(yīng)力分析

本工程因裙房中庭大開洞，裙房樓板削弱較多，平面不規(guī)則，樓板受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，需進行小震、中震下的樓板應(yīng)力分析。

根據(jù)文[3]建議公式，樓板在小震作用下應(yīng)滿足：

σ1k,小震≤ftk

(1)

(1)式中： ftk為混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值；σ1k,小震為有地震作用效應(yīng)組合時樓板在小震作用下樓板主拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值。

采用雙層雙向相同配筋時，中震作用下應(yīng)滿足：

σ1k,中震≤fyAs/γREhs

(2)

(2)式中：σ1k,中震為有地震作用效應(yīng)組合時樓板在中震作用下的主拉應(yīng)力設(shè)計值；fy為鋼筋抗拉強度設(shè)計值；s為樓板鋼筋間距；As表示在間距s范圍內(nèi)上下層水平鋼筋的面積；h表示大底盤樓板厚度；γRE=0.85為承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

本工程恒載、活載引起的樓板應(yīng)力比地震作用產(chǎn)生的樓板應(yīng)力小，因此取地震工況內(nèi)力作為小震、中震的應(yīng)力進行分析驗算。計算時將整個大底盤樓板視為膜單元彈性板，上部各分塔樓板視為剛性板，以裙房屋面X向地震樓板應(yīng)力分析為例。小震工況下，從(圖4)可看出，樓板應(yīng)力集中處的峰值約為1.3MPa，樓板混凝土強度等級為C35，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為2.2MPa，滿足設(shè)計要求。中震工況下，如圖5所示，中庭連接處及筒體開洞樓板削弱較多，產(chǎn)生應(yīng)力集中，該處局部板厚h=180mm，配筋雙面雙向Φ12@140，能滿足設(shè)計要求；其余裙房屋面板厚h=150mm，配筋雙面雙向Φ10@200，中震工況下均能滿足設(shè)計要求。在進行大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)重視大底盤樓板的應(yīng)力分析，加強薄弱區(qū)域的板厚、配筋，同時保證樓板受力筋的抗震錨固，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全。

圖4 裙房屋面層X向小震應(yīng)力分布圖(MPa)

圖5 裙房屋面層X向中震應(yīng)力分布圖(MPa)

2 大底盤多塔結(jié)構(gòu)的構(gòu)造加強措施

實際工程設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合大底盤多塔樓高層結(jié)構(gòu)的受力特點按以下幾點進行構(gòu)造加強：

(1)多塔結(jié)構(gòu)豎向體型突變部位的樓板宜加強，樓板厚度不宜小于150mm，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)加強構(gòu)造措施。

(2)裙房屋面板對保證塔樓和大底盤的協(xié)同工作作用明顯，塔樓之間的裙房連接體以及塔樓中與裙房連接體相連的外圍柱、剪力墻等，是保證大底盤與多塔樓整體工作的關(guān)鍵構(gòu)件，應(yīng)予加強。

(3) 對于多塔結(jié)構(gòu)，剪力墻底部加強部位高度延伸至裙樓以上一層，裙房屋面上一層塔樓豎向構(gòu)件抗震等級提高一級，柱縱筋的最小配筋率適當(dāng)提高，柱箍筋在裙房屋面上、下層的范圍全高加密。

(4)針對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位和薄弱部位，采取比規(guī)范更嚴(yán)格的配筋構(gòu)造，增強結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震能力。提高底部剪力墻豎向和水平分布筋配筋率、加強核心筒外墻連梁的抗剪配筋等。

3 結(jié)語

本文通過分析大底盤多塔樓高層建筑的受力特點，以實際工程為例，選擇合理的計算模型，并采用較不利的結(jié)果進行包絡(luò)設(shè)計；通過對大底盤樓板進行應(yīng)力分析，找出樓板的薄弱部位，并采取相應(yīng)的加強措施。從計算分析可知，本工程各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)方案合理安全。以上內(nèi)容僅為筆者在設(shè)計過程中的一些經(jīng)驗總結(jié)，尚有不足之處，有待進一步完善提高，敬請各位指正。

[1]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析JGJ3-2010[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]扶長生，劉春明，李永雙.高層建筑薄弱連接混凝土樓板應(yīng)力分析及抗震設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008,38(3)：106-110.

[4]包世華，張銅生.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算.下冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.1.

[5]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)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

謝林秀(1986.06- )，女，工程師。

2015-06-23

TU973+.31

A

1004-6135(2015)09-0056-04