關于多塔復雜體型建筑的結構設計探討

吳俊良杭州中宇建筑設計有限公司（361000）

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關于多塔復雜體型建筑的結構設計探討

吳俊良
杭州中宇建筑設計有限公司（361000）

摘要：大量體系復雜的建筑隨著建筑功能和建筑外觀的多樣化需求而不斷涌現出來，其中很典型的就是大底盤多塔樓連體高層建筑。這里首先對雙塔連體高層建筑結構的特點進行了介紹，然后根據某一具體工程實例，詳細分析了大底盤雙塔復雜高層建筑結構設計中所存在的一些問題。

關鍵詞：高層；多塔樓；結構設計；措施

1　高層建筑結構設計的特點

1．1水平荷載成為決定因素

一方面，樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比。水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，與樓房高度的兩次方成正比。另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，水平荷載如風荷載和地震荷載，其數值隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

1．2軸向變形不可忽視

當樓層很高時，樓房自重產生的軸向壓應力可使中柱產生較大的軸向變形，導致連續粱中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。

1．3側移成為控制指標

與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大。因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

1．4結構延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高樓結構在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

1．5水平力是設計的主要因素

研究表明，樓房自重和樓面載荷在豎向構件中產生的彎矩和軸力的大小僅與樓房高度的一次方成正比，水平載荷對建筑產生的傾覆力矩及軸力大小與樓房高度的二次方成正比。因此在高層建筑設計中水平力是設計的主要因素。

1．6側移成為控制指標

建筑結構的側移隨高度的增加而迅速增大（側移量與樓層高度的四次方成正比），因此結構側移成為高層建筑結構設計中的關鍵因素。

2　工程概況

某工程為高層商住樓，位于某市繁華地段，2層地下室，地面l～3層為商場，4～l8層為住宅樓，整個建筑是帶2個塔樓的多塔樓結構。

地質條件見表1。

表1　各巖土特征表

3　結構設計

3．1結構選型

由于建筑平面的關系，在結構方案的選擇上有兩種情況：從基礎面開始，上部兩棟住宅樓及對應的商場部分用防震縫將它們完全分開，這種結構方案具有明確的各單體受力、傳力簡單、計算模型和內力較容易等特點；抗震縫不設置在地下室及商場部分，住宅樓部分呈現自然分開，為多塔結構。在對這兩種方案進行比較之后，選擇了第二種方案進行結構設計。

3．2結構計算

結構計算的關鍵問題是結構計算模型應該按照整體建模還是應當分塔樓建模。首先，我們分析一下多塔樓的受力情況：帶大底盤的高層建筑，結構在大底盤上一層突然收進，屬豎向不規則結構；大底盤上有兩個塔樓時，地震作用下，各塔樓的震動既相對獨立又相互影響。扭轉震動反應很大，高振型對結構內力的影響非常突出。其次，分別按照前述的兩個方案分別計算發現，內力、位移均有較大差別。尤其是塔樓連接部分的商場樓頂梁內力有15％以上的差別。

就大底盤多塔樓結構而言，當按照塔樓的形式把裙房部分切開進行計算，那么在計算下部裙房及基礎時，會產生較大的誤差，并且無法考慮各個塔樓之間的相互影響。因此，應該先對整體進行計算，按照較高的規格取足量的振型數，并且注意到塔樓與塔樓之間產生的影響。如果用整體進行計算的話，單個塔樓本身的扭轉特性就體現不出來，而且顯示不出單個塔樓的平動轉動周期比以及剛度比等信息。

根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223-2008）的規定，該建筑物抗震設防類別為丙類，所在場地類別為Ⅱ類場地，建筑的地震作用和抗震措施均應符合本地區抗震設防烈度的要求。本建筑抗震設防烈度為Ⅷ度，根據《高層建筑混凝土結構技術規程（以下簡稱Ⅸ高規》）的規定，框架-剪力墻結構高度＜60 m時，框架按照三級、剪力墻均按二級抗震等級設計。整體計算結果表明，框架部分承受的地震傾覆力矩占結構總地震傾覆力矩，X方向為10.42％，Y方向為10.92％，均不大于50％，說明結構中剪力墻數量滿足要求，框架按三級設計也是合理的。該工程體型和結構布置復雜，為多塔樓結構，屬于復雜高層建筑，整體計算按照SATWE程序進行計算，整體計算結果需滿足規范的各項指標要求。

該工程結構與底盤結構中心的距離與底盤相應邊長之比X向為2.33％，Y向為2.6％，均不大于底盤相應邊長的20％，說明兩塔樓層數和剛度較接近。塔樓和底盤的剛度偏心較小。

地下室一層的樓層側向剛度X向為上一層的3.17倍，Y向為2.82倍，均滿足大于相鄰上部結構樓層側向剛度2倍的要求，因此上部結構的嵌固部位為地下室頂板，構造上，樓板厚度為200 mm，混凝土強度等級為C30，雙層雙向配筋φ12@l50。

多塔樓結構屬于復雜高層建筑，通過控制單個塔樓位移比不應大于該樓層平均值的1.4倍來限制塔樓平面布置的不規則性，避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應。

單個塔樓周期比控制的目的主要是控制結構在地震作用F的扭轉效應。該分析計算通過多塔樓結構的分體計算模型進行，同時需滿足規范的要求。

4　變形縫的設置

工程各塔樓高度不同，體型相差較大，塔樓間還設空中連廓，又有裙房相連，同時具備了多塔樓、連體結構的性質，屬超限的高層建筑，有多處薄弱部位，對抗震極為不利。根據抗震設計的要求，可以在適當位置設置防震縫，形成較規則的結構單元。

如果各塔樓的體型、剛度差異非常大的時候，連體結構、多塔結構會隨著地震的作用而產生復雜的相互耦聯的振動，加上扭轉和連接處等抗震薄弱部位的影響，抗震效果大大降低，這對抗震來說是極其不利的。有連接的塔樓之間的距離并不是很大，所以可以采用懸挑的連廊形式，然后將防震縫設置在連廊的中間處，將原本的連體結構分解成一個個獨立的塔樓。同理，在每個塔樓之間，要設置多道防震縫，將多塔樓分成一個個規則的單塔，這樣做不僅有利于使薄弱部位的震害得到減輕，還能夠增強上部結構抗震能力。

5　加強建筑抗震構造設計

在多塔樓結構中，能夠協同各塔樓共同作用的是裙房頂層樓蓋。由于塔樓與塔樓之間會產生相互作用，會在裙房屋面層樓板中產生較大的水平拉壓力和彎矩，所以要對裙房屋面層梁板的剛度、承載力以及其與各塔樓之間的連接構造進行加強。在工程設計過程當中，要想保證結構底盤與塔樓的整體作用，需要滿足以下幾個條件，將裙房屋面層樓板加厚到150 mm，雙層雙向配筋φ12@150；主梁與次梁上下通長鋼筋要大于梁上下最大配筋量的50％。裙房屋面上層和下層的樓板均加厚120 mm。

6　結語

如今，雖然我國在高層建筑建設上發展迅速，但是在設計質量方面并不理想。結構工程師在高層建筑結構設計中，不能只對結構計算的準確性高度重視，還得根據結構的實際情況，選擇出合理的結構方案。

高層建筑結構設計人員在分析過程中，要切實考慮實際情況，運用已有的知識對實際建筑設計中遇到的各種問題進行處理。