大底盤復雜結(jié)構(gòu)建筑綜合體的設計探究

劉文優(yōu)，黃 梅

（1.臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，浙江 臺州 318000；2.浙江大學城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院有限公司，杭州 310000）

大底盤復雜結(jié)構(gòu)建筑綜合體的設計探究

劉文優(yōu)1，黃 梅2

（1.臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，浙江 臺州 318000；2.浙江大學城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院有限公司，杭州 310000）

隨著我國城市化進程步伐的加快，建筑業(yè)已由傳統(tǒng)的單一化模式向多元化模式發(fā)展，商住兩用的大底盤高層建筑結(jié)構(gòu)應運而生，既為建筑行業(yè)發(fā)展提供廣闊的發(fā)展空間，也帶來了巨大的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新。本文主要針對大底盤高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計參數(shù)計算分析、結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建以及結(jié)構(gòu)解析等方面進行研究，為大底盤建筑結(jié)構(gòu)設計提出參考建議。

大底盤；計算分析；結(jié)構(gòu)模型；單塔模型；整體模型

1 工程概況

本文以某商住兩用綜合樓小區(qū)結(jié)構(gòu)設計為例，該工程位于浙江省某市中心位置，周邊社會經(jīng)濟環(huán)境發(fā)展快速。該工程總面積15.4萬m2，總高度為73.6 m。建筑結(jié)構(gòu)采用大底盤非常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)，樓體框架采用鋼筋混凝土構(gòu)建。本文選取1棟商用建筑作為研究對象，本工程共計23層，地下1層為人防和地下車庫，地上為22層，其中地上1至3層為商場和設備用房，為裙樓結(jié)構(gòu)層。該建筑地上1層高為5.2 m，2層高為5 m，3層高為5.3 m，3層以上層高為2.9 m，地下1層高為5.1 m，圖1為該工程剖面圖，圖2為首層結(jié)構(gòu)布置圖。

2 設計參數(shù)

圖1 塔樓剖面圖

該工程設計參數(shù)均以使用年限和基準期為50年為基準，抗震性能設置參照《建筑工程抗震設防分類標準》規(guī)定內(nèi)容進行參數(shù)計算。該工程塔樓裙樓連為一體，面積很大，因此在設計時應重點考慮該參數(shù)設置[1]。裙樓以上塔樓結(jié)構(gòu)參數(shù)計算亦按 照上述標準內(nèi)容設計，將結(jié)構(gòu)安全等級定為二級，抗震設防烈度定為7度。計算抗震設防烈度時，地震加速度取0.1 g，地震分組取第二組，場地特征周期取0.4 s，場地類別?、蝾?，取近50年風速計算重現(xiàn)期基本風壓為0.45 kN，建設地面粗糙度為B類。

3 結(jié)構(gòu)體系與布局

圖2 首層結(jié)構(gòu)布置圖

該工程為鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，樓體筒結(jié)構(gòu)剪力墻周圍厚度由底部向上層逐漸減少，由400 mm依次減少到250 mm；核心筒內(nèi)壁厚度從下到上依次為300 mm、250 mm、200 mm，連梁高度一般為400 mm。由于塔樓3層和4層層高較大，為保證建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在該處加大連梁高度到門洞口頂部，形成“強連梁”。筒體外側(cè)由鋼筋混凝土柱組成，主體截面尺寸由下至上逐漸減小，最底部尺寸為1 000 mm×1 000 mm，頂部尺寸為600 mm×600 mm；裙樓框架結(jié)構(gòu)支柱間距為8.4 m。塔樓地下1層為地下室結(jié)構(gòu)，選用該層頂板（標高為-1.0 m）作為結(jié)構(gòu)嵌固端，頂板厚度應大于200 mm，樓板設置雙層雙向通長鋼筋，配筋率應大于0.25%。因3層結(jié)構(gòu)與上部完全不同，存在較大的剛度突變現(xiàn)象，應適當增加3層頂板厚度，取板厚200 mm，設置雙層雙向通長鋼筋，最小配筋率為0.25%。2層、4層、5層頂板處于塔樓收進部位，板厚取150 mm，選用雙層雙向通長鋼筋，最小配筋率為0.20%。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

4.1 塔樓模型的建立

該工程因裙樓剛度不大，無法滿足上部塔樓嵌固設置的要求，所以，在建筑結(jié)構(gòu)設計時必須考慮塔樓對裙樓和塔樓間的相互影響。該工程選用塔樓帶裙樓的結(jié)構(gòu)模型，利用計算機繪制整體結(jié)構(gòu)模型，以下簡稱整體模型，并利用軟件分析計算各項參數(shù)取值范圍和影響作用。另外，裙樓周圍擋土處存在著部分剪力墻，其余也都是框架柱，因此剛度較小，通過塔樓帶裙樓綜合分析和計算[2]。

計算得出各參數(shù)值基礎上建立整體模型，將各實測數(shù)據(jù)輸入模型中，構(gòu)建與實際條件一致的模擬塔樓和裙樓結(jié)構(gòu)。該整體模型選地下1層頂板（標高為-1.0 m）作為嵌固端，頂板厚度為200 mm；B1塔樓沿X方向?qū)ΨQ分布，質(zhì)量和剛度也比較均勻，因此，可推斷出該工程塔樓質(zhì)心和底盤質(zhì)心近乎重合。在Y方向上的A1（A2）、C1（C2）塔樓質(zhì)量及剛度相差較小，兩者中心偏移距離約為邊長的7%，設計規(guī)范中要求偏心距小于20%，因此，該整體模型構(gòu)建滿足規(guī)范要求。在底盤和塔樓構(gòu)建中，應適當采取措施減少Y方向的偏心問題，減輕扭力對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。可采用增加梁截面面積或增加剪力墻數(shù)量的方式進行緩解。

4.2 SATWE單塔模型建立

《高規(guī)》規(guī)定：“對多塔樓結(jié)構(gòu)，宜按整體模型和各塔樓分開的模型分別計算，并采用較不利的結(jié)果進行結(jié)構(gòu)設計?！蔽覀儗⒏魉请x散開、分別逐個計算，計算時取塔樓及周圍裙樓附近兩跨作為單塔模型，以下簡稱單塔模型；利用計算機分析計算單塔模型的周期比、剪重比、位移比、位移角、剛度比等參數(shù)值[3]，并結(jié)合工程實際建設經(jīng)驗對結(jié)構(gòu)進行檢查。

4.3 塔樓與大底盤間的影響

4.3.1 風荷載的建筑群效應

通常情況下，計算建筑群風荷載效應時，應將單棟樓體的體型系數(shù)乘以相互干擾系數(shù)。而且，多塔結(jié)構(gòu)中一個底盤上面可能建設多個塔樓結(jié)構(gòu)，且各塔樓高度較為接近，組成一個高密度高層建筑群，當風從樓體空隙經(jīng)過時，風對塔樓產(chǎn)生風荷載作用影響塔樓建筑穩(wěn)定性。因此，應利用軟件計算分析風荷載對建筑群產(chǎn)生的影響，而不是以往僅分析風荷載對單個建筑產(chǎn)生的作用。以建筑群體型系數(shù)μsm作用軟件分析系數(shù)。

現(xiàn)階段《高規(guī)》并未對風荷載和塔樓間距具體數(shù)值進行量化規(guī)定，僅規(guī)定高層建筑群距離較近時應考慮風荷載作用影響，根據(jù)國內(nèi)實驗報告，迎風面寬度設為B，截面高設為H，當兩塔樓間距大于7.5 B，或風向距離大于1.5 H時，風對建筑群產(chǎn)生的影響十分微弱，可忽略不計。由此可知，在分析計算風荷載對塔樓產(chǎn)生的影響時，可在經(jīng)驗距離值范圍內(nèi)分析其影響強弱。此外，當塔樓群體高度較低，風對建筑群相互間的影響作用也不會太明顯，建筑周圍塔樓高度高于1/2建筑高度時，影響作用顯著，應對此進行分析。

圖3 風荷載效應

建筑群相互干擾增大系數(shù)μBF通常由類似工程實測數(shù)據(jù)經(jīng)歸納得出，具體數(shù)值可參見《工程抗風設計計算手冊》，如表1所示。當建筑工程影響因素較為復雜多變，無法按照相似經(jīng)驗數(shù)據(jù)計算時，可根據(jù)現(xiàn)場自然條件模擬風洞實驗計算系數(shù)，如表1。

對于連體結(jié)構(gòu)高層建筑通常兩建筑物距離較近，且高度一致，因此，計算風荷載對建筑群產(chǎn)生的影響效應時可使用表2確定相互干擾增大系數(shù)。

4.3.2 豎向抗側(cè)剛度

塔樓結(jié)構(gòu)的本質(zhì)為豎向抗側(cè)剛度的突變，因此明確地震作用的水平傳遞途徑和相關構(gòu)件的受力關系十分重要[5]。本文以B1塔為研究對象，塔樓和裙樓頂板交接處的剪力作用大?。篨方向上剪力作用為5 932 kN，Y方向為6 169 kN；而裙樓頂部的塔樓豎向構(gòu)件受力情況的總和：X方向為4 868 kN，Y向為5 225 kN。由此可見：塔樓對裙樓產(chǎn)生的水平力通過裙樓頂板部分傳遞到裙樓構(gòu)件中，在通過構(gòu)建一部分傳遞到基礎上，裙樓構(gòu)件可分散一部分水平力作用，而不是塔樓產(chǎn)生的力完全傳遞到基礎。由于塔樓水平地震力被裙樓頂板構(gòu)件分散一部分，改變了力的傳播途徑，減少了水平力對基礎的影響程度。因此，本文考慮增加裙樓頂板的剛度，即增加板厚和配筋度，以提高該處剛度。利用PMSAP軟件計算水平地震作用力大小，結(jié)果顯示：塔樓與裙樓連接處所受應力較大。因此，應適當增加連接處樓板厚度及配筋率。

表1 相互干擾增大系數(shù)μBF

表2 連體結(jié)構(gòu)相互干擾增大系數(shù)μBF

5 重點問題

5.1 該工程結(jié)構(gòu)設計過程中，設計人員重點分析了以下問題

1）塔樓建筑3層和4層高度差較大，剛度存在突變現(xiàn)象；為確保各層剛度比值達到設計規(guī)范要求，減少突變現(xiàn)象，可采用在3層和4層樓面設“強連梁”，適當收小4層處的柱截面，剪力墻厚度以及框架梁高度等手段來實現(xiàn)。調(diào)整后剛度數(shù)值如表3。但該“強連梁”會加大剪壓比，設計時可在“強連梁”中設水平縫，連梁中配置交叉斜筋等措施，從而使剪壓比達到規(guī)范要求。此外，還應適當增大連梁抗剪能力，提高2層和3層支柱剛度值。

表3 裙樓上下層的剪切剛度值/（×107kN/m）

2）為降低建筑施工成本，在建筑結(jié)構(gòu)設計時應盡量減少支柱截面，提高支柱配筋率和混凝土強度，以減少支柱截面尺寸，同時提高軸壓比。

3）大底盤與上層多塔結(jié)構(gòu)相連問題。

由于高層建筑的大底盤多塔的剛度較大，造成基地受力不均勻，從而導致底板變形，進而對地基基礎造成影響，最終影響建筑整體的安全質(zhì)量。對于大底盤復雜結(jié)構(gòu)建筑綜合體而言，必須解決大底盤與上層多塔結(jié)構(gòu)相連問題。在這一連接過程中，需采取柔性或剛性防水連接，但是由于現(xiàn)階段柔性防水連接在維修時需要較為昂貴的費用，而剛性連接條件目前并不成熟，大底盤結(jié)構(gòu)基礎設計對于建筑市場而言是亟待解決的問題。

5.2 大底盤結(jié)構(gòu)基礎在設計時，可以從以下方面進行控制

5.2.1 對混凝土等級與澆筑的控制

在滿足耐久性、承載力以及防水的基礎上，采用礦渣水泥等低水化熱水泥。同時，對砂石骨料的顆粒級配與含泥量進行嚴格控制?；炷翝仓瓿珊螅凑障嚓P規(guī)范要求實行降溫養(yǎng)護工作，盡量減小混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的收縮應力。

5.2.2 后澆帶的設置

5.2.2.1 伸縮后澆帶的設置

設置伸縮后澆帶的原則、方法應與沉降后澆帶保持一致，需重視伸縮后澆帶中梁和板鋼筋之間的貫通，且后澆帶的澆筑工作應該在兩側(cè)混凝土澆筑之后的2個月、上部混凝土澆筑后的1個月進行。澆筑混凝土強度等級與底板混凝土強度等級相比，應高一級，且需強化其養(yǎng)護工作。

5.2.2.2 伸縮后澆帶的設置

沉降后澆帶是在施工期間留置的，為了抵抗建筑物不均勻沉降而從基礎開始設置的后澆帶；寬度在800~1 000 mm，豎向垂直留置，地下室部分要采取防水措施；一般40 d以上或按設計要求時間，采用高一級等級的混凝土澆筑，且加強養(yǎng)護。

6 結(jié)語

綜上所述，本文以實際工程結(jié)構(gòu)設計為研究對象，結(jié)合筆者多年工作經(jīng)驗，得出以下結(jié)論：

1）大底盤建筑結(jié)構(gòu)設計中，大底盤對塔樓的地震剪力影響較大，在利用計算機軟件分析計算塔樓參數(shù)時，應對大底盤對塔樓受力和力的作用傳遞兩方面進行分析，確保塔樓設計安全性。

2）工程回填土的壓力作用，應采取適當措施保護地下結(jié)構(gòu)，防止在地震水平力作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)；在建設超長結(jié)構(gòu)建筑時，應注意后澆帶封閉之前結(jié)構(gòu)在土側(cè)壓力作用下產(chǎn)生的傾覆和滑移。本工程設計時在基礎和各層樓板澆筑完成前設置了鋼管保護，此種情況可適用較深基坑結(jié)構(gòu)。

3）當多棟或群集的大底盤建筑相互間距較近時，宜考慮風力相互干擾的群體效應。一般可將單棟建筑的體型系數(shù)μs乘以相互干擾增大系數(shù)，該系數(shù)可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風洞試驗確定。

4）后澆帶是作為超長建筑不留溫度伸縮縫及高層建筑高層部分與裙房之間不留沉降縫的技術措施。因后澆帶的縫寬與墻、板的厚度密切相關，在設計后澆帶的縫寬時應按照墻板厚度進行計算。

[1]冀強.新舊《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》的對比[J].河北建筑工程學院學報，2014（03）.

[2]杜亞光，陳軍.大底盤雙塔結(jié)構(gòu)底盤剛度對結(jié)構(gòu)受力影響[J].山西建筑，2011（32）.

[3]潘近樂.設計中高層帶地下室結(jié)構(gòu)嵌固端的合理選取[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013（04）.

[4]張偉，田越鵬.大底盤非對稱雙塔結(jié)構(gòu)抗震設計[J].工程建設與設計，2009（11）.

[5]董旭華，關二紅.大底盤多塔結(jié)構(gòu)抗震動力分析與工程設計實踐[J].建筑技術開發(fā)，2009（09）.

[6]蘇駿，劉晴云，季俊杰，陳紅宇.大剛度裙房多塔結(jié)構(gòu)實用簡化設計方法探討[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013（11）.

TU318

A

1673-1093（2015）04-0070-04

劉文優(yōu)（1981），女，浙江余姚人，畢業(yè)于浙江工業(yè)大學土木工程專業(yè)，就職于浙江省臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.04.015

2015-01-24；

2015-01-29