劉國光

(福建省地質工程勘察院 福建福州 350003)

0 引言

隨著我國經濟的發(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，無法通過設置結構縫將塔樓分開，出現(xiàn)了大底盤多塔樓高層建筑。商業(yè)體內部由于設置中庭，商業(yè)體內街，樓面開大洞造成樓板連接薄弱。商業(yè)體內部設置多個跨層、跨縫的自動扶梯及交通連廊。本文結合某工程，就大底盤多塔高層建筑抗震設計相關問題進行探討。

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層框架剪力墻結構，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，建筑結構安全等級為二級，結構重要性系數(shù)取1.0，設計基本風壓為0.7kN/ m2，地面粗糙度類別為C類?？拐鹪O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 結構單元劃分

裙房商業(yè)分為東區(qū)和西區(qū)2個部分，結構利用內街及抗震縫共分6個結構單元，結構單元劃分示意圖如圖1所示。為使各主體結構受力簡單獨立，利用內街、出入口連廊分為東西2個區(qū)，連廊采用鋼結梁構，與兩側結構柔性連接。東區(qū)設一條縫，共形成2個結構單元：1個單塔單元(7#)和1個雙塔單元(1#、8#)。西區(qū)共形成4個結構單元：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設計依據(jù)，此為基本計算模型。計算裙房質心,塔樓綜合質心,判別塔樓偏置情況。周期、周期比、層間位移、位移比、各層的側向剛度比、結構的傾覆力矩比等，與分塔計算模型的結果進行比較。

(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范圍。大底盤多塔結構振動形態(tài)復雜，整體模型有時不易判斷計算結果是否合理，此模型計算各塔周期比、位移比，各層的側向剛度比，了解各塔扭轉效應，判別平面是否規(guī)則。

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

圖1 結構單元劃分示意圖

模型一 模型二 模型三圖2 計算模型示意圖

1.3 計算軟件

主體結構，采用盈建科軟件股份有限公司開發(fā)的YJK軟件計算。PKPM結構計算軟件補充計算，并對計算結果進行分析比較。采用考慮扭轉耦聯(lián)的振型分解反應譜法計算多遇地震作用下的內力和變形，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 建筑結構不規(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要點》(建質[2015]67號)以下簡稱高規(guī)，經初步判斷，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建筑結構特別不規(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，豎向構件收進位置高于結構高度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，結構在大底盤上一層突然收進，屬豎向不規(guī)則結構。

有關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，多塔樓結構振型復雜，且高振型對結構內力影響大。當大底盤上的各塔樓高層建筑樓層數(shù)不同，質量和剛度不同，分布不均勻，且當各塔樓自身結構平面布置不對稱時，結構豎向剛度突變加劇，扭轉振動反應增大，高振型對結構內力影響更為突出，各塔樓的受力更為復雜不利。

塔樓在底盤上部突然收進，造成結構豎向剛度突變，如結構平面布置上又使塔樓與底盤偏心較大，則更加劇了結構的扭轉振動反應。

對大底盤多塔樓高層建筑結構，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)建筑結構的體型收進對結構的側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，是否產生結構的薄弱部位來判定。因此，判別大底盤單塔樓結構是否按復雜高層建筑結構設計，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：上部結構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。 計算結果表明，上部收進結構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建筑結構一般不規(guī)則性超限檢查

扭轉位移比大于1.2，但扭轉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，經分析比較，該局部不規(guī)則問題對整個結構的影響很小，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件位置縮進大于25%，但在主樓平面尺寸較大處豎向構件位置縮進小于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構構件抗震等級提高一級；加強以下二層結構周邊豎向構件的配筋構造措施。

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，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果進行比較，滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》4.3.5規(guī)定。

7條時程曲線X向及Y向層間位移角計算結果平均值均小于振型分解反應譜法計算結果，且均滿足。規(guī)范1/800的要求。綜上所述，時程分析計算結果滿足規(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構，裙樓商業(yè)內天井有樓板大開洞，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。

分析結果如圖4～圖5所示。

樓板應力云圖可以得出如下結論：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、跨結構單元，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構的連接，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?；瑒又ё梢圆捎糜芍黧w結構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構牛腿上的方法。

該工程的連廊采用鋼結構柔性連接處理：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構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 結論

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

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

(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)分析結果加強薄弱部位，防止樓板開裂。

(4)對于建筑內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，兩側結構形成獨立的結構單元。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 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB50010-2010(2015年版)混凝土結構設計規(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].建筑結構，2004(4).