大底盘双塔复杂高层建筑结构设计分析

摘　要：高层建筑正日益向多功能发展，为满足建筑功能和建筑外观的多样化需求，大量体型复杂的高层建筑不断涌现，其中大底盘双塔楼连体高层建筑就是很典型的一类。本文作者首先介绍了双塔连体高层建筑结构的特点，然后根据一具体工程实践，对大底盘双塔复杂高层建筑结构设计中的一些问题做了详细的分析。
关键词：高层建筑；大底盘双塔；结构计算
一、双塔连体高层建筑结构的特点
　　 (1)从对称性来看，大部分的双塔连体结构关丁x、Y轴对称或基本对称，典型的如马来西亚石油大厦、上海凯旋门火厦、徐州国际商厦、合肥瑞安大厦、天津凯旋门大厦等，但也有部分连体结构构造相当复杂，既不关于x轴也不关于Y轴对称，典型的如上海之江大厦、上海交银金融大厦、上海海怡花园等。连体结构的对称性对结构动力特性和受力性能有着决定性的影响，因而在对连体结构进行研究时，应首先对其按对称性分类，然后再对不同类型的连体结构进行分别研究才能得出更具普遍意义的结论。
　　(2)从连体与塔楼的相对刚度来看，既有连体刚度相对较小的双塔“弱”连体结构，如马来西亚石油大厦、上海交银金融大厦等，也有连体的刚度很强的双塔“强”连体结构，如上海证券大厦、合肥瑞安大厦、天津凯旋门大厦等。连体与塔楼的相对刚度与连体的层数、跨度、位置、连体的结构形式、连体与塔楼的连接形式、结构的对称性以及荷载的作用方向等诸多因素有关，因而在划分连体结构的强连与弱连时，要将上述因素进行综合考虑。连体与塔楼的相对刚度对楼和连体的受力和变形性能有着至关重要的影响，是连体结构的主要研究内容之一。
　　(3)从底盘的设置和底盘刚度来看，对于双塔连体结构，根据建筑的功能，可以设置大底盘，如徐州国际商厦、合肥瑞安人厦、天津凯旋门犬厦等，也可以不设置底盘，如梅田大厦等。对于设置底盘的连体结构，双塔同时通过上部连体和底部底盘相互耦联，其受力要比不设置底盘的连体结构更复杂．尤其是不对称的连体结构更是如此。底盘与塔楼的相对刚度受建筑功能和结构体系的影响，当底盘采用大空间的框架剪力墙而上部塔楼采用纯剪力墙体系时，底盘的侧向刚度有可能接近甚至稍小于上部塔楼的侧向刚度，而当上部塔楼的所有竖向构件全部落地时，底盘的侧向刚度则必定大于上部塔楼的侧向刚度。底盘与上部塔楼的侧向刚度比过大或过小皆会造成塔楼根部处的刚度突变．对底盘和塔楼的受力和变形都极为不利，尤其是在大震作用下，结构很容易在此处产生过大的塑性变形而破坏。因而在结构设计时，底盘和塔楼的侧向刚度比也是重要的控制指标之一。

二、大底盘双塔复杂高层建筑结构设计在工程中的实践
　　2.1 工程概况
　　该工程是作者在实际工作中参与过的一个工程实例，它由商业、写字楼、住宅三部分组成，总建筑面积为2.11万m2。其中大底盘裙房三层(一层为商业，二、三层为写字楼)，高度14．70m。为满足建筑使用功能，结构不断缝。住宅为南北两个塔楼，1#楼19层，总高度69．7m；2#楼2l层，总高度76．2m。地下一层，做设备用房及车库。该工程结构设计要求使用年限为50年，结构安全等级二级，抗震设防烈度7度，基本地震加速度为0．19，建筑场地类别II类，抗震设防类别丙类，设计地震分组为第一组。上部结构采用现浇钢筋混凝土框架一剪力墙结构体系，平面布置采用现浇钢筋混凝土梁、板体系。基础采用以柱下独基为主的浅基。
　　该工程的结构体系由于受场地条件的制约，建筑平面呈细长矩形，沿南北方向长度为83．9m，沿东西方向宽度为22．7m，长宽比为3．7：1。一—三层为裙房，不设缝。上部住宅分成南北两个塔块：1#塔块(19层)为工字形；2彝塔块(2l层)体型较方整。剖面如图1所示。

　　2.2 结构计算分析
　　大底盘双塔高层结构除应满足单塔高层结构计算的各项限值，还要考虑双塔在水平荷载作用下的协同工作，对连接体部分裙房屋面要另外进行有限元分析，下面介绍具体结构计算分析过程：
　　(1)单塔内力分析及调整
　　多塔结构内力分析比较复杂，首先应对每个塔块分别进行内力分析，每个塔块的结构布置、周期及位移等各项计算指标均应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)(以下简称“高规”)要求。SATWE软件把“塔”和“刚性楼板”这两个概念区分开来，多塔结构每个塔都独立变形，本工程也按塔块的划分，把裾房部分按塔块的形式切开，单独计算“l#塔块”和“2#塔块”。
　　“l#塔块”中间电梯井和过道处轴平面内凹，包括剪刀梯板在内的楼板x向宽度共计7．3m，楼板凹人和开洞尺寸为楼面宽度的58．5％，属于平面不规则结构，x向层间位移比1．4也比较大。针对中间细颈部分较薄弱的问题，在计算时，将连接部位板定义成弹性楼板，进行有限元计算；构造上加宽连接板宽度，东向凹口补齐，设计成楼板，增加连接处楼板的厚度(h=130mm)；加宽、加高边梁，使整块连接板形成“H”形连接件(边梁做冀缘，楼板相当于腹板)，这样就加强了连接部分的刚度，从而增强了整个“1荆苔块”结构的整体性。
　　分析x向层间位移较大的原因，主要是东北角结构设计为两根框架柱，无设置剪力墙，造成此处扭转位移较大。由于建筑平面限制，不允许在角部增设剪力墙，我们就尽量加高该处框架梁的高度，梁断面设计成200×1050，使边榀框架刚度增加，抵抗变形的能力提高。为不影响开窗高度，将其中600高的梁上反做窗下墙。经过这样处理，计算后得到x向层间位移比为1．25，改善很多

　　“2#塔块”电梯井部位有一片剪力墙，长度7800mm，在整个x向剪力墙中是最长的一片，发现这片墙承担的地震剪力占x向总地震剪力60％，根据“高规”8．1．7条，单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平剪力的40％，可见这片墙刚度太大，吸收了过多的水平地震力，造成刚度分布不均匀，应力过于集中。现将其断开，分成两片单独的剪力墙，通过连梁连接，两片单独的剪力墙承担的水平剪力分别为24．3％和23．9％，在“高规”限值以内，使结构刚度分布趋于合理。
　　通过调整，“1#塔块”和“2#塔块”周期、位移、剪重比等各项计算指标均满足“高规”要求，剪力墙分布也比较均匀合理。
　　(2)整体内力分析
　　在单塔计算完成的基础上，将“1#塔 块”、“2#塔块”和大底盘裙房拼接起来，结构整体输入计算，得到整体结构计算结果。由于单塔结构布置、刚度分布较为合理，因此整体计算时各项指标均满足“高规”限值，设计时根据整体计算结果进行配筋。
　　(3)空间协同工作分析
　　由于上部两个塔楼结构平面布置不同且层数相差三层，造成各塔楼质量和刚度分布不均匀，双塔在水平荷载作用下协同工作时，在结构内部会产生扭转振动反应，对大底盘三层裙房结构(主要为裙房屋面)产生较大的拉压应力，即双塔不同的变形需要大底盘裙房与之相协调，造成裙房屋面层连接体部分的楼板受力复杂，整体内力分析计算结果误差较大。故该部分为本工程结构设计的重点，需用有限元法进行详细的应力分析，了解应力分布情况，按应力分布进行设计调整，同时构造上有针对性地对某些部位予以加强。
　　2.3 振动分析
　　多塔结构振型复杂，大底盘上两塔楼高层建筑同一振型具有两种振动表现形式，下面简述一下大底盘上两塔楼高层建筑结构抗震分析时，计算振型数的选取。图2为计算得到的结构前6个周期对应的振动曲线。
大底盘上两塔楼建筑在振动时，既存在两个塔楼连同底部裙房一起的同方向振动，又存在两个塔楼之间的相对振动(例如第1振动曲线和第2振动曲线等)。结构振型图的第1、2振动曲线为结构振动的第一振型，是第一振型振动的两种表现形式；第3、4振动曲线为结构振动的第二振型，第5、6振动曲线为结构Y方向振动的第三振型，即对于本工程大底盘上两塔楼建筑，每个振型都有两种振动表现形式。由上述分析所得结论可以指导我们下一步正确选取结构计算振型数，对于单体高层建筑，设计时水平地震作用效应计算取前n个周期，对于大底盘双塔的高层建筑，就应取2n个周期对应的振型，本结构取40个周期对应的振型。
三、结束语
　　通过上面的工程实践的介绍，我们可以得出结论：大底盘双塔高层建筑结构设计应首先对单塔进行内力分析，计算指标均满足“高规”要求后再进行整体内力分析，整体计算时各项指标均应满足“高规”限值，设计时根据整体计算结果进行配筋；对大底盘裙房屋面层连接体部分的楼板进行空间协同工作有限元分析，校核整体内力分析结果。通过这些计算步骤，比较完整的体现大底盘双塔高层建筑结构设计特点，满足双塔在水平荷载作用下协同工作对大底盘裙房协调变形的要求。
参考文献
[1] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010． 北京：中国建筑工业出版社，2010
[2] 《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002．北京：中国建筑工业出版社，2001
[3] 徐培福，黄小坤，高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用．北京：中国建筑工业出版社，2003