吳俊良杭州中宇建筑設(shè)計(jì)有限公司（361000）

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關(guān)于多塔復(fù)雜體型建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

吳俊良
杭州中宇建筑設(shè)計(jì)有限公司（361000）

摘要：大量體系復(fù)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(xiàn)出來(lái)，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(duì)雙塔連體高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，然后根據(jù)某一具體工程實(shí)例，詳細(xì)分析了大底盤雙塔復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所存在的一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高層；多塔樓；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；措施

1　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

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(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比。水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，與樓房高度的兩次方成正比。另一方面，對(duì)某一定高度樓房來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值，水平荷載如風(fēng)荷載和地震荷載，其數(shù)值隨結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dāng)樓層很高時(shí)，樓房自重產(chǎn)生的軸向壓應(yīng)力可使中柱產(chǎn)生較大的軸向變形，導(dǎo)致連續(xù)粱中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。

1．3側(cè)移成為控制指標(biāo)

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大。因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

1．4結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

1．5水平力是設(shè)計(jì)的主要因素

研究表明，樓房自重和樓面載荷在豎向構(gòu)件中產(chǎn)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(duì)建筑產(chǎn)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(shè)計(jì)中水平力是設(shè)計(jì)的主要因素。

1．6側(cè)移成為控制指標(biāo)

建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移隨高度的增加而迅速增大（側(cè)移量與樓層高度的四次方成正比），因此結(jié)構(gòu)側(cè)移成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)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(chǎng)，4～l8層為住宅樓，整個(gè)建筑是帶2個(gè)塔樓的多塔樓結(jié)構(gòu)。

地質(zhì)條件見(jiàn)表1。

表1　各巖土特征表

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．1結(jié)構(gòu)選型

由于建筑平面的關(guān)系，在結(jié)構(gòu)方案的選擇上有兩種情況：從基礎(chǔ)面開始，上部?jī)蓷澴≌瑯羌皩?duì)應(yīng)的商場(chǎng)部分用防震縫將它們完全分開，這種結(jié)構(gòu)方案具有明確的各單體受力、傳力簡(jiǎn)單、計(jì)算模型和內(nèi)力較容易等特點(diǎn)；抗震縫不設(shè)置在地下室及商場(chǎng)部分，住宅樓部分呈現(xiàn)自然分開，為多塔結(jié)構(gòu)。在對(duì)這兩種方案進(jìn)行比較之后，選擇了第二種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3．2結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算的關(guān)鍵問(wèn)題是結(jié)構(gòu)計(jì)算模型應(yīng)該按照整體建模還是應(yīng)當(dāng)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(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)；大底盤上有兩個(gè)塔樓時(shí)，地震作用下，各塔樓的震動(dòng)既相對(duì)獨(dú)立又相互影響。扭轉(zhuǎn)震動(dòng)反應(yīng)很大，高振型對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響非常突出。其次，分別按照前述的兩個(gè)方案分別計(jì)算發(fā)現(xiàn)，內(nèi)力、位移均有較大差別。尤其是塔樓連接部分的商場(chǎng)樓頂梁內(nèi)力有15％以上的差別。

就大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)按照塔樓的形式把裙房部分切開進(jìn)行計(jì)算，那么在計(jì)算下部裙房及基礎(chǔ)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，并且無(wú)法考慮各個(gè)塔樓之間的相互影響。因此，應(yīng)該先對(duì)整體進(jìn)行計(jì)算，按照較高的規(guī)格取足量的振型數(shù)，并且注意到塔樓與塔樓之間產(chǎn)生的影響。如果用整體進(jìn)行計(jì)算的話，單個(gè)塔樓本身的扭轉(zhuǎn)特性就體現(xiàn)不出來(lái)，而且顯示不出單個(gè)塔樓的平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)周期比以及剛度比等信息。

根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223-2008）的規(guī)定，該建筑物抗震設(shè)防類別為丙類，所在場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，建筑的地震作用和抗震措施均應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。本建筑抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（以下簡(jiǎn)稱Ⅸ高規(guī)》）的規(guī)定，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高度＜60 m時(shí)，框架按照三級(jí)、剪力墻均按二級(jí)抗震等級(jí)設(shè)計(jì)。整體計(jì)算結(jié)果表明，框架部分承受的地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩，X方向?yàn)?0.42％，Y方向?yàn)?0.92％，均不大于50％，說(shuō)明結(jié)構(gòu)中剪力墻數(shù)量滿足要求，框架按三級(jí)設(shè)計(jì)也是合理的。該工程體型和結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，為多塔樓結(jié)構(gòu)，屬于復(fù)雜高層建筑，整體計(jì)算按照SATWE程序進(jìn)行計(jì)算，整體計(jì)算結(jié)果需滿足規(guī)范的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

該工程結(jié)構(gòu)與底盤結(jié)構(gòu)中心的距離與底盤相應(yīng)邊長(zhǎng)之比X向?yàn)?.33％，Y向?yàn)?.6％，均不大于底盤相應(yīng)邊長(zhǎng)的20％，說(shuō)明兩塔樓層數(shù)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(cè)向剛度X向?yàn)樯弦粚拥?.17倍，Y向?yàn)?.82倍，均滿足大于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度2倍的要求，因此上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位為地下室頂板，構(gòu)造上，樓板厚度為200 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，雙層雙向配筋φ12@l50。

多塔樓結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜高層建筑，通過(guò)控制單個(gè)塔樓位移比不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍來(lái)限制塔樓平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過(guò)大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

單個(gè)塔樓周期比控制的目的主要是控制結(jié)構(gòu)在地震作用F的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。該分析計(jì)算通過(guò)多塔樓結(jié)構(gòu)的分體計(jì)算模型進(jìn)行，同時(shí)需滿足規(guī)范的要求。

4　變形縫的設(shè)置

工程各塔樓高度不同，體型相差較大，塔樓間還設(shè)空中連廓，又有裙房相連，同時(shí)具備了多塔樓、連體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，屬超限的高層建筑，有多處薄弱部位，對(duì)抗震極為不利。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)的要求，可以在適當(dāng)位置設(shè)置防震縫，形成較規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。

如果各塔樓的體型、剛度差異非常大的時(shí)候，連體結(jié)構(gòu)、多塔結(jié)構(gòu)會(huì)隨著地震的作用而產(chǎn)生復(fù)雜的相互耦聯(lián)的振動(dòng)，加上扭轉(zhuǎn)和連接處等抗震薄弱部位的影響，抗震效果大大降低，這對(duì)抗震來(lái)說(shuō)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(shè)置在連廊的中間處，將原本的連體結(jié)構(gòu)分解成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的塔樓。同理，在每個(gè)塔樓之間，要設(shè)置多道防震縫，將多塔樓分成一個(gè)個(gè)規(guī)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(qiáng)上部結(jié)構(gòu)抗震能力。

5　加強(qiáng)建筑抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)

在多塔樓結(jié)構(gòu)中，能夠協(xié)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(huì)產(chǎn)生相互作用，會(huì)在裙房屋面層樓板中產(chǎn)生較大的水平拉壓力和彎矩，所以要對(duì)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(gòu)造進(jìn)行加強(qiáng)。在工程設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，要想保證結(jié)構(gòu)底盤與塔樓的整體作用，需要滿足以下幾個(gè)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(zhǎng)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(jié)語(yǔ)

如今，雖然我國(guó)在高層建筑建設(shè)上發(fā)展迅速，但是在設(shè)計(jì)質(zhì)量方面并不理想。結(jié)構(gòu)工程師在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不能只對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性高度重視，還得根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，選擇出合理的結(jié)構(gòu)方案。

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在分析過(guò)程中，要切實(shí)考慮實(shí)際情況，運(yùn)用已有的知識(shí)對(duì)實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中遇到的各種問(wèn)題進(jìn)行處理。