大底盤雙塔復雜高層建筑結構設計

袁勇l  雷青芳2

(1．陜西華瑞勘察設計有限責任公司  710061  西安；

2．中機國際工程咨詢設計總院710054  西安)

1、前言

    近年來隨著社會和經濟的快速發展，在城市里高層建筑建設的比例進一步加大，建筑師對建筑形態不斷創新和變化，出現了越來越多的大底盤雙塔樓體形的建筑。這種豎向剛度變化較大的復雜結構體系在地震作用下，結構的內力、變形及動力特性有何規律和特點，結構概念設計中應采取哪些措施以及相關的抗震設計要點，應是此種建筑在結構設計中必須首先解決的問題。本文結合雅蘭花園工程，從結構設計角度出發，就這些問題作了初步的分析和探討。

2、工程簡介

    雅蘭花園是集商業及住宅為一體的大型現代化商住高層建筑，位于西安市南郊。地下一層，地上二十七層，其底部四層為大底盤，作為商業用房，其上為兩座二十三層住宅樓，一層電梯機房，一層水箱間，室外地坪至塔樓屋面的高度為94.75米，結構平面呈“口”字形。根據使用功能的要求，本建筑物結構形式采用框架一剪力墻結構。

3、地基基礎

    本工程根據陜西核工業工業勘察院2003年7月提供的本工程的《巖土工程勘察報告書》，(詳勘)地面以下場地土分布依次為①層素填土、②層黃土、③層古土壤、④層黃土、⑤層粉質粘土、⑥層粉質粘土、⑦層粉質粘土。由于上部荷載較大，故本工程基礎采用樁基，并選擇了⑦層粉質粘土為樁端持力層，結合西安地區的施工經驗，采用機械旋挖混凝土灌注樁，樁徑為0.7米，樁長33.0米，經過試樁最后確定單樁豎向承載力設計值為7500KN。所有樁均布置在柱下和墻下。獨立承臺厚度根據其沖切承載力確定1.4-1.8米，底板厚度取500mm，地下室混凝土強度等級為 C40，抗滲等級為S6，考慮到地下室長80.0米，寬32.0米，上部四層以上至二十七層為獨立的兩個塔樓，為防止主樓與裙房的不均勻沉降以及施工期間混凝土收縮等因素引起的混凝土開裂，在建筑物中部設置施工后澆帶。

4、結構形式及計算

    本工程采用框架一剪力墻結構，按8度抗震設防，設計基本地震加速度值為0.29，設計地震分組為第一組，建筑抗震設防類別為丙類，結構抗震等級為：剪力墻、框架均為一級，場地類別為Ⅲ類，基本風壓為l.1x0.35=0.40KN／m2。在抗震計算時，考慮其與風荷載的效應組合。結構主體計算采用中國建筑科學研究院結構所編制的PKPM系列軟件SATWE程序進行整體計算，采用不同的結構分析模型加以比較，并考慮扭轉耦連。振型數取27個，在進行空間結構分析時，按各塔樓有單獨位移考慮，即采用分塊樓板剛度無限大的假定，按雙塔樓進行結構分析。裙房屋面板按彈性樓板考慮。主要結構構件截面尺寸及混凝土強度等級見表一，主體結構在x、Y方向的自振周期、層間位移、基底剪力見表二。

建筑物主要結構構件截面尺寸及混凝土強度等級 表一

主體結構在x、Y方向的自振周期、層間位移、剪重比 袁二

    從表二中看出，在地震作用下，塔樓l與塔樓2在x、Y方向的位移基本相同，最大位移都是出現在第13層，這是由于塔樓l與塔樓2的結構布置、層高、層數等方面完全相同，兩個塔樓對稱布置于矩形底盤的兩端，表明結構在兩個方向的整體抗震性能基本接近。

    為了進一步探討大底盤雙塔結構的動力特性，采用SATWE程序對該工程結構進行彈性動力時程分析計算，分析計算中根據建筑場地類別和反應譜特征周期組別，選取與該場地相對應的三條地震波，在結構的位移與變形分析中：對于同一條地震波作用下， x、Y方向的位移接近，這是由于兩塔樓對稱布置于大底盤的兩端，兩塔樓的結構剛度相同，抗震性能基本接近，所以變形差異不大。但是在不同的地震波作用下，其位移反應就會有較大的差別。從結構內力分析中：在大底盤與塔樓交接面即裙房屋面處，樓層的剪力和彎矩都有較明顯的突變。其原因是由于結構豎向剛度在裙房屋面處發生較大的突變，這也進一步說明結構地震反應及內力的變化均受到結構剛度和質量突變的影響。從以上動力時程分析結果，我們認為大底盤與雙塔樓的連接處是整個結構的薄弱環節，該層的樓板、梁會產生一定的水平力，該層梁柱構件受力很復雜，在設計中應對連接處予以特別加強。

5、結論

    本文通過以上對大底盤雙塔樓的結構計算和動力時程分析，可以得到以下幾點體會：

    5.1大底盤雙：塔樓結構計算分析時，裙房屋面板宜按彈性樓板考慮，每個塔樓的樓層可考慮為一個剛性樓板，結構的周期比、位移比和剛度比等控制參數，應該各塔樓分別計算并驗算；涉及到各振型下的地震作用分析，應該按結構實際情況進行建模計算并驗算，雙塔計算比較符合地震作用對結構的效應；對于構件的配筋計算，應該按雙塔計算更符合實際受力情況，尤其是在商場那幾層(包括附近相鄰幾層)，按單塔計算會帶來較大的誤差。同時應進行動力時程分析，找出結構的薄弱環節予以特別加強。

    5.2大底盤雙塔樓結構由于底部裙房剛度與上部塔樓的剛度懸殊較大，造成整體結構豎向剛度變化較大，為了減少結構的扭轉效應，結構概念設計時，應考慮大底盤上部各塔樓的層數、層高、平面布置盡可能相同或接近，且雙塔樓對于大底盤宜對稱布置，避免過大的偏心對整體結構的影響。

    5.3為了保證底部裙房屋頂層能傳遞塔樓的水平地震力，應加大裙房屋頂層的剛度，大底盤屋面板的板厚不宜小于200mm，板上下采用雙層雙向通長配筋，同時適當增加一定數量的上下層受拉鋼筋。此外，雙塔樓之間裙房連接體的屋面梁應加強，塔樓中與裙房連接體相連的外圍柱、剪力墻、從固定端至裙房屋面上一層的高度范圍內，柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當提高，柱箍筋宜在裙房屋面上下層的范圍內全高加密，剪力墻宜設置約束邊緣構件。

依據標準及參考文獻：

1.國家標準《建筑抗震設計規范》(GB50011—2001)中國建筑工業出版社2001

2.行業標準《高層建筑混凝土結構技術規程》UGA3—2002)中國建筑工業出版社2002

3.婁宇、王慶紅《大底盤雙塔高層建筑的振動分析和抗震設計》建筑結構1999

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)