水平力作用下塔樓與裙房樓層剪力傳遞分析

邵建偉

(香港華藝設計顧問(深圳)有限公司，廣東深圳 518031)

1 工程概況

合肥華潤中心項目是一個綜合商業辦公建筑群，位于合肥市主城區西南的政務文化新區內，占地60 419 m2。擴大地下室共3層，長278 m，寬206 m，埋深約15.4 m。地上裙房6層，結構高度30.7 m，南部裙房長260 m，寬67 m;北部裙房長250 m，寬90 m，南北裙房之間設置抗震縫，北部裙房兩端連接兩棟辦公塔樓，三維空間模型見圖1。東面2號塔樓地上44層，結構高度178.6 m，建筑面積85 268.3 m2。西面1號塔樓地上56層，結構高度250m，建筑面積126 352.9m2。結構設計基準期為50年，抗震設防烈度7度，基本地震加速度為0.10g，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，抗震設防類別裙房頂層以下乙類，裙房以上丙類。

圖1 三維空間模型

主體結構設計中有三個特殊之處:1)2號塔樓在22層和36層位置部分核心筒結構墻轉換為框架柱作為結構的豎向受力構件;1號塔樓在40層部分核心筒結構墻轉換為框架柱作為結構的豎向受力構件。2)1號塔樓1層～37層層高4.2 m(與裙房相連的幾層及設備層除外)，41層以上標準層層高3.6 m，中間38層～40層層高7 m用于酒店大堂，41層樓層核心筒外無樓板導致框架柱一個方向無支幾何長度為14 m。3)與雙塔相連的北部裙房在第4，5層由于建筑電影院及宴會廳的功能布置，導致該層裙房出現大量斜樓板和開洞的結構形式。基于結構以上特點，塔樓自身受力工作性能就存在一定的復雜性，而與塔樓相連的裙房由于個別樓層存在大面積開洞的情況，從而使得結構內力分布情況、水平力傳遞情況都存在一定的復雜性。

2 結構小震計算分析結果

2.1 模態分析

結構單塔和雙塔大底盤整體模型計算得到的周期和振型質量參與系數見表1。

表1 結構單塔、雙塔周期計算結果對比

由表1單塔和雙塔對比結果可以看出，雙塔模型計算得到各階周期的結果均比單塔結果要小，這是由于結構裙房剛度的貢獻，使塔樓下部樓層的側向約束增強。對比1號樓結果發現，1號樓自振周期的方向發生了變化，單塔模型第一周期為X向，而雙塔模型1號樓第一周期為Y向。其原因是1號樓單塔模型中前兩階平動模態比較接近，而雙塔模型中裙房對1號樓X向的連接約束作用要大于Y向，導致1號樓2個方向的剛度發生變化，因此1號樓自振周期發生改變。

2.2 位移分析

結構單塔和雙塔大底盤整體模型在風荷載下底部5層位移結果對比見表2。

表2 風荷載下底部5層位移結果對比 mm

表2分別給出單塔和雙塔大底盤在風荷載下樓層剛心位移值，其中裙房部分是指除塔樓范圍以外的裙房結構部分。在風荷載作用下，單塔模型位移比雙塔模型位移稍大，而單獨裙房模型位移明顯小于單塔模型及雙塔模型，說明在風荷載作用下雙塔大底盤結構裙房對塔樓存在一定的約束作用，有利于結構抵抗風荷載。

3 結構連接部分內力應力分析

雙塔大底盤結構連接部分兩側剛度差異較大，導致該位置受力較為復雜，分析清楚連接部分的受力狀態是保證大底盤裙房與高層塔樓整體協同工作的關鍵問題。

表3 地震作用下1號樓部分樓層剪力

表4 地震作用下2號樓部分樓層剪力

圖2 1號樓在單塔模型及雙塔底盤模型中的樓層剪力曲線

由表3、表4、圖2及圖3可以看出:1)雙塔大底盤結構對塔樓部分的地震樓層剪力有一定的放大作用(由于篇幅關系，沒有把裙房以上塔樓樓層剪力全部羅列)，兩個方向剪力放大在10%～30%之間，塔樓部分裙房以上樓層剪力大多數放大15%左右。2)雙塔大底盤模型塔樓部分樓層剪力在裙房頂部兩層發生突變，塔樓的部分剪力向裙房傳遞。3)塔樓剪力向裙房傳遞跟裙房對塔樓的約束情況有關系，裙房對1號樓的X向約束較強，Y向約束很弱，所以塔樓只有X向出現剪力傳遞;裙房對2號樓的X向約束較強，Y向也有一定程度的約束作用，所以2號樓兩個方向都出現了不同程度的剪力傳遞情況。

圖3 2號樓在單塔模型及雙塔大底盤模型中的樓層剪力曲線

本工程塔樓部分通過5層混凝土樓蓋與裙房相連，為了研究在水平荷載作用下產生的內力傳遞情況，本次分析采用了不同模型在風荷載下的樓層剪力傳遞進行比較分析:

1)1號塔樓與裙房連接位置梁板剛度退化50%;2)1號塔樓與裙房連接位置4跨框架柱剛度退化50%;3)裙房所有柱剛度退化50%;4)裙房純框架，取消裙房剪力墻;5)1號塔樓與裙房連接樓板取消。

通過上述塔樓和裙房各層樓層剪力對比，裙房剛度的大小直接影響塔樓和裙房連接位置內力重分布情況，樓層剪力傳遞主要發生在裙房第4層、第5層。在第4層、第5層位置，塔樓剪力約有10%～20%會傳遞至裙房，裙房與1號塔樓X向連接較強，在Y向連接較弱，所以1號塔樓X向有較多剪力在連接位置梁板通過軸力傳遞到裙房結構，而Y向1號塔樓很少部分剪力通過在連接位置梁板通過剪力傳遞到裙房結構;對于2號塔樓，裙房對塔樓兩個方向存在一定程度的約束剛度，所以2號塔樓對裙房兩個方向內力傳遞相差不大。

對于各種不同的方案，塔樓與裙房之間內力分布規律是一致的。方案三中框架柱剛度退化50%導致裙房下部幾層承擔的剪力明顯小于其他方案，原模型裙房第5層剪力為6 209 kN(X向)和4 398 kN(Y向)，方案三裙房第5層剪力為4 841 kN(X向)和3 347 kN(Y向)。方案四中由于把裙房改為純框架結構，裙房的X向抗側剛度有較大程度的降低(原結構裙房剪力墻大部分為X向)，所以在最下面幾層裙房抗側剛度和塔樓差別較大，裙房部分內力向塔樓傳遞，裙房僅承擔小部分剪力，原模型裙房第1層剪力為6 360 kN(X向)和5 492 kN(Y向)，方案四裙房第1層剪力為3 386 kN(X向)和5 324 kN(Y向)。

塔樓和裙房內力主要通過五層(屋面層)傳遞，下面幾層塔樓和裙房之間內力傳遞較少。而對應于第5層，塔樓和裙房之間剪力傳遞占塔樓剪力比例不大，連接范圍較大，樓板應力分布均勻，所以樓面結構梁板附加應力較小，通過合理的配筋設置能夠滿足結構正常使用的工作要求。

通過上面的比較分析一定程度上反映出結構受力工作性能，應根據該雙塔大底盤結果對結構實施必要的構造加強措施。

1)裙房與塔樓連接位置的鋼筋混凝土樓蓋采用設防烈度地震荷載組合重力荷載工況計算得到內力進行配筋，從而使水平力作用下連接部分有足夠的安全儲備，保證裙房與塔樓相互作用的工作性能。2)由于塔樓在裙房頂層位置樓層剪力出現突變情況，出裙房頂部兩層抗震等級同底部樓層均設為特一級。

4 結語

通過對合肥華潤中心雙塔大底盤結構進行內力應力分析、位移變形分析以及與單塔模型等各方面對比分析，得到以下結論:

1)雙塔大底盤結構與單塔結構的工作性能差別比較大，裙房與塔樓的相互作用一定程度提高了塔樓的抗側剛度。2)由于雙塔大底盤結構在地震作用下出裙房屋面后樓層剪力有所放大，用單塔模型設計時，樓層地震剪力應作放大調整，并同時與雙塔結構進行包絡設計。3)水平力作用下，雙塔大底盤結構塔樓部分樓層剪力在裙房頂層位置會出現突變現象，塔樓與裙房會通過連接部分進行不同程度的內力傳遞，要考慮疊加此傳遞的水平力進行配筋設計。4)裙房與塔樓的內力傳遞大小與裙房對塔樓約束剛度的大小存在直接聯系。

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