史騰駿， 鄒祖軍， 郭 涵

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092)

1 概述

大底盤多塔樓這種結(jié)構(gòu)模式的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)迎合當(dāng)前市場需求，例如，在多棟獨(dú)立塔樓的底部有一個連成整體的大群房形成大底盤，土地可以被高效利用;大底盤可以用于停車庫、商場和服務(wù)用房等，上部塔樓可用于辦公、住宅等，建筑功能豐富;由大底盤和上部多塔樓形成的建筑造型獨(dú)特、變化多樣．

根據(jù)上部多塔樓的嵌固端位置，大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)可以分為兩種類型．當(dāng)大底盤結(jié)構(gòu)頂層樓板可作為上部多塔樓的嵌固端時(shí)，屬于一般高層建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較簡單，偏于常規(guī)．當(dāng)大底盤結(jié)構(gòu)頂層樓板不能作為上部多塔樓的嵌固端時(shí)，屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，尤其當(dāng)大底盤上有多個不對稱塔樓時(shí)，結(jié)構(gòu)振型復(fù)雜，伴隨著復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)，如果結(jié)構(gòu)布置不當(dāng)，豎向剛度突變、扭轉(zhuǎn)振動和高振型影響會更加明顯，這時(shí)結(jié)構(gòu)的受力性能、振動特性和破壞形式更加復(fù)雜，需要仔細(xì)分析和論證結(jié)構(gòu)在地震下的反應(yīng)[1]．

2 工程實(shí)例

2．1 工程概況

本文結(jié)合一個工程實(shí)例說明大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震反應(yīng)分析．某框剪結(jié)構(gòu)寫字樓大廈，主體平面呈L形布局，地上建筑分為西翼、中部和東翼三部分．西翼呈扇形12層;中部呈橢圓23層，東翼呈扇形21層．建筑整體高度99．210米，地下建筑三層，作超市、地下車庫用．

圖1 結(jié)構(gòu)整體模型圖

為確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全，本文采用Midas Building對此結(jié)構(gòu)的自振特性及多遇地震下的反應(yīng)進(jìn)行了彈性計(jì)算分析，并與SATWE的振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，圖1為Building中結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算模型圖．

2．2 嵌固端判斷

首先判斷上部塔樓的嵌固端的位置．大底盤部分的豎向構(gòu)件范圍選取從各塔樓往外擴(kuò)大一跨區(qū)域[2]．經(jīng)SATWE對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析得出大底盤頂層各方向的抗側(cè)剛度(地震力與地震層間位移比)為 RJX3=8．3868E+06(kN/m)，RJY3=8．0076E+06(kN/m)，與大底盤相鄰的上部塔樓層各方向的抗側(cè)剛度為RJX3=5．7216E+06(kN/m)，RJY3=5．6937E+06(kN/m)，二者比較知不滿足《高規(guī)》中第5．3．7條“高層建筑結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)嵌固部位時(shí)，地下一層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2”規(guī)定，所以本結(jié)構(gòu)不能把大底盤頂層作為上部多塔的嵌固端[3]．

圖2 不同工況下10234節(jié)點(diǎn)相對位移時(shí)程曲線

2．3 結(jié)構(gòu)自振特性

表1中列出了Midas Building分析得到的各塔前3階自振周期及振型描述，同時(shí)列出SATWE的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較．三個塔樓均在第三階模態(tài)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，且滿足《高規(guī)》第3．4．5條“結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A類高度高層建筑不應(yīng)大于0．9”的規(guī)定[3]．由于三個塔樓的不對稱布置，結(jié)構(gòu)整體在前兩階平動為主的自振模態(tài)中也夾有扭轉(zhuǎn)成分．

2．4 地震波的選取和輸入

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5．1．2條要求以及本工程的7度抗震設(shè)防、第三分組、二類場地的基本情況，本文選用一條人工模擬地震波，1952年Taft地震波(天然波1)和1985年San_ew地震波(天然波2)兩條天然地震波．考慮雙向地震作用，選取y方向?yàn)橹鞣较?，加速度時(shí)程峰值分別取35cm2/s和220cm2/s，兩個方向的加速度時(shí)程峰值的比值為1:0．85．動力方程的阻尼采用瑞利阻尼，按鋼筋混凝土考慮，阻尼比取5%，采用Newmak法進(jìn)行時(shí)程計(jì)算，gamma=0．5，beta=0．25[4]．

表1 各塔樓自振特性

2．5 時(shí)程分析結(jié)果

2．5．1 結(jié)構(gòu)變形情況

7度多遇三條地震波作用下該結(jié)構(gòu)主塔樓屋面邊緣節(jié)點(diǎn)10234的相對地面x向、y向位移時(shí)程如圖2所示，從圖中可以看出，雖然輸入的地震波峰值加速度相同，但不同地震波作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)差異較大．結(jié)構(gòu)在所選人工波的作用下水平x、y向反應(yīng)均最大，y向幅值達(dá)到53．66mm．

選取結(jié)構(gòu)水平反應(yīng)較大的兩種工況考察結(jié)構(gòu)的層間最大位移與層高之比，圖3(a)，(b)分別為7度多遇烈度人工波1和天然波1作用下結(jié)構(gòu)層間位移角包絡(luò)圖，均小于《高規(guī)》第3．3．3條關(guān)于高度不大于150m的高層框剪結(jié)構(gòu)層間位移角1/800的限值．

圖3 兩種工況下各塔的層間位移角包絡(luò)圖

由于結(jié)構(gòu)在大底盤頂層以上大幅度立面收進(jìn)，造成剛度突變，層間位移角有明顯的增大．塔樓3由于塔身較為纖細(xì)，立面收進(jìn)幅度最大，層間位移角的增大最為明顯．

2．5．2 結(jié)構(gòu)加速度特性

分別考察結(jié)構(gòu)3個塔樓在7度多遇地震波的雙向作用下的最大加速度反應(yīng)．圖4(a)～(e)分別為各塔樓在不同地震波工況下的x、y向加速度放大系數(shù)包絡(luò)圖．各塔樓頂部加速度迅速放大，產(chǎn)生一定程度的鞭鞘效應(yīng)，其中塔3頂端最為明顯．

圖4 各塔樓在不同工況下樓層加速度放大系數(shù)

3 結(jié)語

(1)底部用作需要大開間的車庫、商場等功能時(shí)，大底盤頂層一般不能滿足嵌固端要求，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該首先對于嵌固端位置進(jìn)行判斷．

(2)Midas Building和SATWE兩種軟件的振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果較為吻合，各塔樓前3階自振周期的誤差甚微，基本可以保證這種方法分析結(jié)果的可靠性．

(3)結(jié)構(gòu)在相同加速度峰值的不同地震波作用下的反應(yīng)差異較大，應(yīng)根據(jù)規(guī)范合理選取滿足要求的地震波進(jìn)行計(jì)算，選取過程中可能要多次試算．

(4)通過Midas Building的分析結(jié)果可知，在所選三條的7度多遇抗震設(shè)防烈度對應(yīng)加速度峰值的地震波作用下，結(jié)構(gòu)滿足小震不壞和《高規(guī)》的關(guān)于層間位移角限值的要求．

[1] 方毅．大底盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J]．城市建設(shè)，2010，67:201 －202．

[2] 肖艷．淺談大地盤多塔樓高層建筑結(jié)構(gòu)[J]．科技信息．2011，3:743 ．

[3] JGJ3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．

[4] 張博，吳曉涵，呂西林，等．立面收進(jìn)超限結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析[J]．結(jié)構(gòu)工程師，2011，6(27);34 －40．

[5] 呂西林．復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用[M]．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2002．