某大底盤多塔結(jié)構(gòu)設計分析

劉國光

(福建省地質(zhì)工程勘察院 福建福州 350003)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,集SOHO、商業(yè)、辦公、影院等為一體的大型商業(yè)綜合體建設數(shù)量越來越多,體量越來越大。建筑使用功能的要求，無法通過設置結(jié)構(gòu)縫將塔樓分開，出現(xiàn)了大底盤多塔樓高層建筑。商業(yè)體內(nèi)部由于設置中庭，商業(yè)體內(nèi)街，樓面開大洞造成樓板連接薄弱。商業(yè)體內(nèi)部設置多個跨層、跨縫的自動扶梯及交通連廊。本文結(jié)合某工程，就大底盤多塔高層建筑抗震設計相關(guān)問題進行探討。

1 工程概況及實例

該工程擬建于福州市倉山區(qū)，建筑總面積約30萬m2，其中地上建筑面積約21.4萬m2，地下2層，建筑面積約8.6萬m2。地上部分7幢塔樓，其中1#、2#、3#、5#、6#樓為高層SOHO，7#、8#為高層寫字樓，底部大底盤裙房為大型商業(yè)。1#～8#塔樓為20～22層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑高度89.5m～95.5m。裙房層數(shù)3～5層，高度16.5m～26.5m。二層建筑平面工程設計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，設計基本風壓為0.7kN/ m2，地面粗糙度類別為C類。抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.1g；設計地震分組第三組，Ⅲ類場地，特征周期0.65s。

1.1 結(jié)構(gòu)單元劃分

裙房商業(yè)分為東區(qū)和西區(qū)2個部分，結(jié)構(gòu)利用內(nèi)街及抗震縫共分6個結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元劃分示意圖如圖1所示。為使各主體結(jié)構(gòu)受力簡單獨立，利用內(nèi)街、出入口連廊分為東西2個區(qū)，連廊采用鋼結(jié)梁構(gòu)，與兩側(cè)結(jié)構(gòu)柔性連接。東區(qū)設一條縫，共形成2個結(jié)構(gòu)單元：1個單塔單元(7#)和1個雙塔單元(1#、8#)。西區(qū)共形成4個結(jié)構(gòu)單元：1個雙塔單元(5#、6#)，2個獨立塔樓單元(2# 和3#)，1個2#3#樓裙房單元。限于篇幅，本文僅對5#、6#雙塔單元(以下簡稱5#、6#)進行相關(guān)討論。

1.2 計算模型的選擇

(1)計算模型一

大底盤、裙房整體計算。考慮地震作用下各塔樓間相互不利影響，作為大底盤裙房及基礎(chǔ)設計依據(jù)，此為基本計算模型。計算裙房質(zhì)心,塔樓綜合質(zhì)心,判別塔樓偏置情況。周期、周期比、層間位移、位移比、各層的側(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。

(2)計算模型二

各塔樓及裙房切開分別計算，分析裙房、塔樓獨立工作時性能指標。

(3)計算模型三

各塔樓帶其裙房相關(guān)范圍。大底盤多塔結(jié)構(gòu)振動形態(tài)復雜，整體模型有時不易判斷計算結(jié)果是否合理，此模型計算各塔周期比、位移比，各層的側(cè)向剛度比，了解各塔扭轉(zhuǎn)效應，判別平面是否規(guī)則。

實際構(gòu)件配筋，以模型一、二、三進行包絡設計，保證設計結(jié)果安全可靠，如圖2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)單元劃分示意圖

模型一 模型二 模型三圖2 計算模型示意圖

1.3 計算軟件

主體結(jié)構(gòu)，采用盈建科軟件股份有限公司開發(fā)的YJK軟件計算。PKPM結(jié)構(gòu)計算軟件補充計算，并對計算結(jié)果進行分析比較。采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應譜法計算多遇地震作用下的內(nèi)力和變形，同時考慮雙向地震和偶然偏心的不利影響。考慮高振型的影響，有效質(zhì)量系數(shù)大于90%。采用時程分析方法進行多遇地震補充計算。對平面不規(guī)則裙房樓板補充平面有限元分析。

1.4 建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性超限檢查

依據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點》(建質(zhì)[2015]67號)以下簡稱高規(guī)，經(jīng)初步判斷，5#、6#雙塔單元可能存在需抗震設防專項審查及主要超限情況如下。

1.4.1建筑結(jié)構(gòu)特別不規(guī)則性超限檢查

豎向不規(guī)則： 5#、6#裙房高21.9m ,塔樓高89.5m，豎向構(gòu)件收進位置高于結(jié)構(gòu)高度20%，且收進大于25%。

塔樓偏置： 5#、6#塔樓X向綜合偏心距28%，偏心距大于底盤相應邊長20%；帶大底盤的高層建筑，結(jié)構(gòu)在大底盤上一層突然收進，屬豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

有關(guān)試驗研究和計算表明，大底盤上有2個或多個塔樓時，地震作用下，各塔樓的振型既存在著相互獨立性又相互有影響，多塔樓結(jié)構(gòu)振型復雜，且高振型對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響大。當大底盤上的各塔樓高層建筑樓層數(shù)不同，質(zhì)量和剛度不同，分布不均勻，且當各塔樓自身結(jié)構(gòu)平面布置不對稱時，結(jié)構(gòu)豎向剛度突變加劇，扭轉(zhuǎn)振動反應增大，高振型對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響更為突出，各塔樓的受力更為復雜不利。

塔樓在底盤上部突然收進，造成結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，如結(jié)構(gòu)平面布置上又使塔樓與底盤偏心較大，則更加劇了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動反應。

對大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)，僅根據(jù)塔樓的體型收進尺寸來判定是不夠的，更重要的是，應根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的體型收進對結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度是否造成劇烈變化，是否在變化部位造成應力集中和變形集中，是否產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的薄弱部位來判定。因此，判別大底盤單塔樓結(jié)構(gòu)是否按復雜高層建筑結(jié)構(gòu)設計，除應按《高規(guī)》第3.5.5條判別外，還宜加上《高規(guī)》第10.6.5條第1款：上部結(jié)構(gòu)收進的底部樓層層間位移角不宜大于下部相鄰區(qū)段最大層間位移角的1.15倍作為判別依據(jù)[1]。

5#、6#地震作用下層間位移角計算如圖3所示。 計算結(jié)果表明，上部收進結(jié)構(gòu)的底部樓層層間位移角為1/1601,與相鄰下部區(qū)段的最大層間位移角為1/1742,比值為1.09，不大于1.15倍。

圖3 5#、6#地震作用下層間位移角

1.4.2建筑結(jié)構(gòu)一般不規(guī)則性超限檢查

扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，但扭轉(zhuǎn)位移偏大處僅位于裙房局部點，不規(guī)則程度很小可不計入不規(guī)則的一項；僅裙房樓板不連續(xù) ，5#、6# 裙房X向有效寬度(35% B)，有效寬度小于50%，開洞面積大于30%；二層門廳挑空樓面開洞較大引起的樓板不連續(xù)和穿層柱問題屬于局部不規(guī)則，經(jīng)分析比較，該局部不規(guī)則問題對整個結(jié)構(gòu)的影響很小，可不計入不規(guī)則的一項。

1.4.3抗震超限情況及相應的應對措施

塔樓高度小于A級高度，裙房屋面高度僅略大于房屋總高度的20%，在主樓平面尺寸較小處豎向構(gòu)件位置縮進大于25%，但在主樓平面尺寸較大處豎向構(gòu)件位置縮進小于25%，不規(guī)則程度很小。綜合判定，該工程可不按超限高層建筑進行設計。

針對多塔和塔樓偏置，采取以下措施加強：裙樓以上一層豎向構(gòu)件抗震等級提高一級，柱及剪力墻縱筋的最小配筋率加大，柱箍筋全高加密。裙房屋面板厚度不小于150mm，雙面雙向配筋，配筋率不小于0.25%，其相鄰上下層樓板厚度及配筋加強。針對5#、6#單元塔樓在裙房屋面體型收進；裙房周邊及裙房屋面上二層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級提高一級；加強以下二層結(jié)構(gòu)周邊豎向構(gòu)件的配筋構(gòu)造措施。

1.5 多遇地震彈性時程分析

采用彈性時程分析法進行多遇地震作用下的補充計算。根據(jù)場地性質(zhì)，選擇5條天然地震波及2條人工波，地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。

時程分析法與振型分解反應譜法計算結(jié)果進行比較，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》4.3.5規(guī)定。

7條時程曲線X向及Y向?qū)娱g位移角計算結(jié)果平均值均小于振型分解反應譜法計算結(jié)果，且均滿足。規(guī)范1/800的要求。綜上所述，時程分析計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

1.6 復雜樓板應力分析

該工程為大底盤不對稱雙塔結(jié)構(gòu)，裙樓商業(yè)內(nèi)天井有樓板大開洞，存在凹凸不規(guī)則,大底盤連接2個塔樓處和塔樓與裙房處的樓板在高振型影響下產(chǎn)生較大應力，且應力集中，對大底盤進行地震作用下樓板應力分析。

多遇地震工況荷載組合：1.2(D+0.5L)+1.3EQ，設防地震工況荷載組合：1.0(D+0.5L)+1.0EQ。

分析結(jié)果如圖4～圖5所示。

樓板應力云圖可以得出如下結(jié)論：由于所計算樓層均位于裙樓部位，地震作用下總體樓板應力水平較低，各分塊裙樓樓板的應力分布規(guī)律基本一致。在X向地震作用下，樓板應力集中部位均主要出現(xiàn)于主樓核心筒中電梯門廳部位，該部位由于兩側(cè)梯井開洞造成樓板應力水平較高。 在小震工況下，大部分應力小于1.3N/mm2，僅局部最大應力值約為2.0N/mm2，需采取局部樓板加厚措施。 在中震工況下，采取局部樓板加厚措施后，最大拉應力值約為2.5N/mm2，采取附加板筋承受此應力。

圖4 5#、6#樓2層板X向小震應力分布圖(N/mm2)

圖5 5#、6#樓2層板X向中震應力分布圖(N/mm2)

設計時，根據(jù)上述應力計算結(jié)果，對應力集中及應力較大部位進行相應配筋加強和板厚加厚措施，以達到多遇地震時樓板內(nèi)拉應力不大于混凝土抗拉強度標準值[2]，設防地震時保證板內(nèi)實配鋼筋受拉不屈服，拉應力全部由額外附加的板鋼筋承受性能目標。

樓板不連續(xù)處理措施：采用符合樓板平面剛度變化的模型進行計算，并補充復雜樓板有限元應力分析，找出內(nèi)力較大部位，對大開洞周邊樓板和應力較大部位加大板厚和加強配筋[3]。該工程因裙房超長，尚應考慮樓面混凝土收縮、徐變以及溫度作用下非荷載作用引起樓板應力，采取加大板厚及提高配筋率等措施。

1.7 架空連廊、自動扶梯的設計

大型商業(yè)建筑功能復雜，存在連廊及自動扶梯跨層、跨結(jié)構(gòu)單元，必須考慮地震作用下連廊、自動扶梯的防脫落問題。

實際震害表明：跨度大、位置高的連廊容易發(fā)生破壞；跨度小、位置低的連廊震害輕，或基本沒有損壞。兩端建筑高度不同，或偏心設置在建筑物的端部連廊破壞嚴重。

架空連廊與兩端建筑物主體結(jié)構(gòu)的連接，可采用剛接或滑動連接。當架空連廊跨度較小，所在樓層高度較低時，可采用滑動支座。支座滑移量應滿足在罕遇地震作用下的位移要求。滑動支座可以采用由主體結(jié)構(gòu)伸出一段懸臂支座的方法，不宜采用將連廊梁擱置在主體結(jié)構(gòu)牛腿上的方法。

該工程的連廊采用鋼結(jié)構(gòu)柔性連接處理：一個支撐端沿鋼橋縱向滑動限位，沿鋼橋橫向鉸接限位；另一個支撐端沿鋼橋縱向、橫向皆鉸接限位。連廊滑動限位端節(jié)點示意圖如圖6所示。自動扶梯支座要求能夠適應兩端地震水平位移。設計要求每個扶梯的允許水平位移與結(jié)構(gòu)單元間的防震縫寬度相同。

圖6 連廊滑動限位端節(jié)點示意圖

2 結(jié)論

(1)大底盤雙塔結(jié)構(gòu)塔樓偏心布置，豎向剛度突變，受高振型的影響大，扭轉(zhuǎn)效應明顯。設計時宜考慮塔樓和裙房的相互作用，多模型包絡設計。對各個超限內(nèi)容采取相應有效措施，并對結(jié)構(gòu)的薄弱處采取相應措施加強，保證整體結(jié)構(gòu)的安全及可靠。

(2)對超長不規(guī)則的大底盤多塔結(jié)構(gòu)，應根據(jù)建筑的使用功能，結(jié)構(gòu)受力合理的原則設置防震縫，劃分結(jié)構(gòu)單元。

(3)裙房頂層作為大底盤頂層，存在剛度突變，受力和變形復雜，宜對裙房頂板做有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果加強薄弱部位，防止樓板開裂。

(4)對于建筑內(nèi)部存在大面積的貫通中庭，局部設置窄連廊連接的建筑平面布局，建議此類連廊均按柔性連接處理，兩側(cè)結(jié)構(gòu)形成獨立的結(jié)構(gòu)單元。樓板連接薄弱部位，應對樓板進行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果，加強薄弱部位，以保證樓板的配筋和斷面滿足樓面的整體受力要求。

參 考 文 獻

[1] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB50010-2010(2015年版)混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[3] 徐培福.架空連廊的震害及設計建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，2004(4).