大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計分析

[摘要]首先對大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行整理。在此基礎(chǔ)上,針對結(jié)構(gòu)體系并結(jié)合大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例,從結(jié)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)鍵部位的應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)造處理等進(jìn)行分析,以便得出一些對設(shè)計有實(shí)際指導(dǎo)意義的結(jié)論。

[關(guān)鍵詞]大底盤 多塔樓 高層建筑 結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號:TU2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0910078-01

當(dāng)今高層建筑正日益向多功能方向發(fā)展,為滿足建筑體型多樣化和建筑多功能要求,近年來涌現(xiàn)出大量體型復(fù)雜的高層建筑,其中大底盤多塔樓就是很典型的一類。大底盤多塔樓高層建筑是將底部幾層公共空間設(shè)置為大底盤,在上部采用兩個或兩個以上塔樓作為主體的結(jié)構(gòu)。如果上部塔樓間在某些樓層通過連體(如連廊)相連,則成為大底盤多塔樓連體結(jié)構(gòu)。對于大底盤多塔樓結(jié)構(gòu),大底盤上兩個或多個塔樓時,結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜,并會產(chǎn)生復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)振動,如結(jié)構(gòu)布置不當(dāng),豎向剛度突變、扭轉(zhuǎn)振動反應(yīng)及高振型影響將會加劇,而且由于多個塔樓通過底盤或者底盤和連體相互連接,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。

一、大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)體系的概述

大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)體系的主要特點(diǎn)是:在多棟獨(dú)立的高層建筑底部有一個練成整體的大裙房,即形成了大底盤。大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)在大底盤上一層突然收進(jìn),屬豎向不規(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(dāng),豎向剛度突變,扭轉(zhuǎn)振動反應(yīng)及高振型影響將會加劇。在實(shí)際工程的設(shè)計中,總的來說,大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計為大底盤結(jié)構(gòu)頂層樓板可作為上部多塔樓的嵌固端。通常帶地下停車位的住宅小區(qū)基本屬于該種類型。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度來說,由于大底盤為塔樓嵌固端,各個塔樓在水平和豎向荷載的作用下可以認(rèn)為是相互獨(dú)立的,結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析可以分開進(jìn)行。在這種情況下上部塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計是常規(guī)的,可以不作討論。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)大底盤部分的內(nèi)力分析時,必須進(jìn)行整體計算,但由于塔樓的側(cè)向剛度相對于大底盤的側(cè)向剛度來說比較小,因此,上部單個塔樓的在水平地震力作用下對于離塔樓位置較遠(yuǎn)的大底盤構(gòu)件產(chǎn)生的影響很小,所以該種情況下對于大底盤的構(gòu)件內(nèi)力可以不考慮由于上部多塔樓的存在而對大底盤產(chǎn)生的復(fù)雜影響。鑒于此,高層建筑設(shè)計規(guī)程中并未把此類結(jié)構(gòu)形式歸為復(fù)雜高層建筑。同樣的,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,對于豎向荷載作用下,需要進(jìn)行整體模型計算,來進(jìn)行基礎(chǔ)等構(gòu)件的設(shè)計,在水平荷載作用下,不需要對整體模型進(jìn)行多塔樓相互影響的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分析。

二、大底盤頂層樓板可作為上部多塔樓結(jié)構(gòu)的嵌固端

結(jié)合一個工程實(shí)例來說明結(jié)構(gòu)設(shè)計工程中的問題。某住宅小區(qū),地下二層為人防地下車庫,地下一層為自行車庫,地上為四棟11層的短肢剪力墻結(jié)構(gòu),抗震設(shè)防烈度6度,地震力加速度0.05g,場地類別Ⅳ類,地基基礎(chǔ)設(shè)計等級丙級,短肢墻抗震等級三級,框架抗震等級四級。由于該高層住宅的地下室抗側(cè)剛度較大,為典型的大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期,作為先決條件,首先應(yīng)先進(jìn)行多塔樓的嵌固端部位的判斷,大底盤地下室部分的豎向構(gòu)件范圍選取為從大底盤頂層向外擴(kuò)大底盤一層層高范圍的區(qū)域。計算應(yīng)用中國建筑科學(xué)研究院的有限元結(jié)構(gòu)計算軟件SATWE進(jìn)行分析計算,經(jīng)計算得出大底盤層各方向的抗側(cè)剛度為RJX=2.7828E+07(kN

/m),RJY=7.5515E+06(kN/m),上部塔樓一層各方向的抗側(cè)剛度RJX=3.5976E+06(kN/m),RJY=2.6336E+06(kN/m),兩者比較得知大底盤層的抗側(cè)剛度比上部塔樓一層的抗側(cè)剛度大一倍以上,因此可以把大底盤頂層樓板作為上部多塔樓結(jié)構(gòu)的嵌固端。

為了更加清晰的說明該種類型的結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中先可以單獨(dú)把塔樓取出,按單塔模型進(jìn)行水平力下的結(jié)構(gòu)抗側(cè)設(shè)計,然后我們對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體建模,并應(yīng)用SATWE程序?qū)ι喜慷嗨沁M(jìn)行多塔定義,然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的震動特性分析。

計算為單獨(dú)塔樓模型時可計算得的振動周期為:T1=1.6154,平動系數(shù)1.00(0.00+1.00),轉(zhuǎn)角90.20;T2=1.3810,平動系數(shù)0.59(0.59+0.00),

轉(zhuǎn)角0.99;T3=1.2555,平動系數(shù)0.41(0.41+0.00),轉(zhuǎn)角179.08。

將各棟塔樓全部輸入的整體建模時,經(jīng)過對振型的分析觀察,發(fā)現(xiàn),2號樓振動是第一,第四,第七個振型,計算所得的振動周期分別為:Tl=1.5559,平動系數(shù)1.00(0.00+1.00),轉(zhuǎn)角89.85;T2=1.3375,平動系數(shù)0.65(0.65+0.00),轉(zhuǎn)角0.12;T3=1.2319,平動系數(shù)0.35(0.35+0.00),轉(zhuǎn)角179.36。

比較上述兩種計算模型的周期特性計算結(jié)果,可以看出2號樓在兩種計算模型下各振型的周期長度,結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)狀況非常接近,即是否為單塔樓模型輸入或多塔樓的整體模型輸入對于各棟塔樓本身來說其振動特性基本是一致的。另外,從整體模型的震型的震動中,我們也可以發(fā)現(xiàn),在大底盤層,遠(yuǎn)離塔樓的結(jié)構(gòu)構(gòu)件振動幅度很微小。也就是說,水平力作用下,塔樓對大底盤層遠(yuǎn)離塔樓處的構(gòu)件影響很小。因此,我們可以得出結(jié)論,在滿足大底盤頂層為上部塔樓嵌固層的條件下,各塔樓是可以拆開分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析,這樣的計算假定和簡化是符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況的,其計算結(jié)果也是可用于后續(xù)工程設(shè)計的。另外,為了保證大底盤頂層樓板的嵌固功能,必須保證大底盤頂層平面內(nèi)具有足夠的剛度,根據(jù)《高規(guī)》4.8.5條和4.5.5條的規(guī)定,采用的構(gòu)造加強(qiáng)措施有:大底盤頂層樓板結(jié)合人防要求,板厚取為300mm厚,且板配筋雙層雙向拉通設(shè)置,配筋率不小于0.3%;另外落地的剪力墻配筋除應(yīng)符合計算要求外,還應(yīng)比對應(yīng)部位上部短肢剪力墻的配筋大1.1倍以上。

三、結(jié)論

首先對大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了系統(tǒng)的整理,結(jié)合工程實(shí)例,對大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析,得到了如下對工程設(shè)計具有參考價值的結(jié)論:大底盤頂層樓板可作為上部多塔樓的嵌固層時,屬一般的高層建筑結(jié)構(gòu),塔樓對大底盤層遠(yuǎn)離塔樓處的影響很小,滿足一定的構(gòu)造要求時上部各塔樓可拆開分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體計算與分析,這樣的簡化符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。

參考文獻(xiàn):

[1]JGJ3-2002,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程,北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]吳劍輝,基于模態(tài)原理的多塔樓結(jié)構(gòu)體系振動分析研究[博士學(xué)位論文].

北京:中國建筑科學(xué)研究院.

作者簡介:

朱學(xué)群(1976-),浙江海鹽人,大學(xué)本科學(xué)歷,就職于浙江海鹽建筑設(shè)計研究院有限公司,研究方向:土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計。