多栋楼大底盘结构计算分析

张华　李文华

摘 要 随着经济的发展，住宅建筑逐渐转向小区式发展，通常整个小区为多栋高层或小高层建筑，在地下通过一层或两层地下车库连为整体构成大底盘结构，这种结构形式不属于大底盘多塔楼结构，但是比一般高层建筑结构要复杂。文章以具体工程为例，对这类结构设计的几个关键问题做了研究和分析：结构缝的设置、结构计算模型的建立和计算结果分析、大底盘地下室结构设计等，得出相关结论：多栋楼大底盘结构的高层住宅小区结构设计时，首先应结合建筑功能分区合理设置结构缝和确定结构嵌固端，使结构布置更加合理，有利于抗震。其次，要建立合理的计算模型进行结构计算分析，通常采用采用整体和分散两种计算模型进行包络设计，取最不利的结果。大底盘地下室结构设计时，应重点解决高层主楼与地下车库之间的沉降差异、地下车库的抗浮等问题。解决了大底盘地下车库高层住宅小区结构设计中的几个重要的技术问题，可为以后同类型结构的设计提供参考。

关键词 大底盘地下车库；结构缝；计算模型；包络设计；沉降差异

中图分类号：TU973.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0132-03

随着经济的发展，房地产行业迅速发展，城市用地日趋紧张，人们对建筑体型多样化和建筑多功能的要求不断提高。在多高层住宅小区建设中，仅由地下车库和上部住宅塔楼组成的结构形式应用最为广泛的，即整个小区为多栋高层或小高层建筑，仅在地下通过一层或两层地下车库连为整体构成大底盘结构。大底盘地下车库在住宅小区建设中越来越多地被采用，首先，作为住宅的配套设施，车库必不可少，大底盘地下室能够增加车位，满足车库和公共车道的使用要求。其次，大底盘地下室的上部可以做景观和绿化，下面做车库，在满足建筑绿化率的同时，充分利用了规划面积。

多栋楼大底盘结构的住宅小区能够满足新型住宅小区建筑设计的要求，但对结构设计者来说，如何进行此类结构形式的设计，既能满足现行国家规范，又能满足建筑功能要求，成为结构设计的关键技术问题。

《高层建筑混凝土结构技术规程》第2.1.5条及条文说明规定：“多塔楼结构”指未通过结构缝分开的裙楼或大底盘上部有两个或两个以上塔楼的结构，它的显著特点是，地上部分应有裙房，裙房将各塔楼连为一体。这就说明这种仅地下室连为整体的结构，不属于大底盘多塔楼结构形式，可不认定为《高规》10.6节规定的复杂结构，但是比一般的高层建筑结构要复杂，本文将重点对这一类大底盘多塔结构体系进行研究分析，以具体工程为例，研究解决以下几个关键设计技术问题：①结构嵌固端的确定；②结构建模及计算结果分析；③大底盘地下室结构设计。

1 工程实例

xxx国际广场位于内蒙古自治区鄂尔多斯市，是一个集商业、写字楼、住宅、休闲、酒店为一体的大型商住小区，地上部分为6栋12层住宅，高度均为34.400 m，由地下一层的大底盘车库连为一体，总建筑面积56293 m2，大底盘地下一层面积16296 m2。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为O.05 g，场地类别II类，主体部分为剪力墙结构，地下车库及裙房为框架结构，剪力墙结构抗震等级为四级，框架抗震等级为四级。xxx国际广场平图如图1。

2 结构嵌固端的确定

带大底盘地下室的多栋楼在结构设计时，首先应该确定嵌固端所在的位置。如果能把地下室顶板作为结构的嵌固端，将会简化结构计算模型，明确结构的传力途径，解决整体建模时结构体系存在各塔楼质量偏心和刚度不均匀的问题。同时，嵌固端的位置也直接影响工程造价。

xxx国际广场，各层平面布置图如图3～5。地下一层平面尺寸210 m×77 m，主要为地下车库及公共车道，地上1～2层各主楼之间有两层裙房，三层以上为各栋高层的主体部分。由于车库仅布置在地下一层，地上1～2层（带裙房）平面不规则，面积小，开有大洞口，不能作为上部六个塔楼的大底盘。为了使简化结构计算，在地上1～2层设置伸缩缝，把整个建筑切分成规则的8个单体。这种布置可以避免形成《高规》10.6节规定的复杂多塔结构，解决各塔楼之间平面不规则、塔楼偏置、周期扭转复杂的问题，使地上部分的结构计算简单明确。对于地下一层，将高层主楼地下室与地下车库连接成整体，不设置永久性沉降缝或伸缩缝，更有利于抗震和防水。

地下室作为上部结构嵌固端要满足以下两个条件：①基础回填土要满足约束条件，当土层水平抗力与结构的侧向刚度比大于5时，可认为地下室部分基本无侧移，即地下室顶板能够作为上部结构嵌固端；②《高规》5.3.7条规定：“当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2”。计算地下室结构楼层侧向刚度时，可考虑地上结构以外的地下室相关部位的结构，“相关部位”一般指地上结构外扩不超过三跨的地下室范围。

由计算结果可知，各主楼地下室顶板均可作为上部结构嵌固端。所以，对于这种大底盘多栋楼结构，将地下一层连为整体，各塔楼及裙房地上部分沿缝分开，地下室顶板作为上部结构嵌固端，这种结构方案是可行的。

3 结构计算模型的建立与抗震性能分析

3.1 计算模型的建立

《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.1.14条规定：“对多塔结构，宜按整体模型和各分塔分开的模型分别计算，并采用较不利的结果进行结构设计。当塔楼周边的裙房超过两跨时，分塔楼模型宜至少附带两跨的裙楼结构”。这是对多塔结构计算模型的规定，对于本文讨论的大底盘地下车库的多栋楼结构，我们在进行计算分析时，同样要解决如何建模的问题，是将大底盘和上部塔楼作为一个整体进行计算，还是将这两部分分开计算，是结构设计关键的问题。

进行大底盘多塔楼结构设计时，通常采用以下两种计算模型：①整体模型：将大底盘和上部各塔楼一起建模，作为一个整体进行结构计算分析；②离散模型：切分大底盘与上部塔楼，将上部塔楼分开建模并分别计算。各分塔模型在地下室应包括“相关范围”（《高规》5.1.14条规定“宜至少附带两跨裙楼结构”，实际工程中，可取不小于3跨20 m的范围），以近似考虑大底盘对多塔楼结构的影响。endprint

整体模型和离散模型各有优势和不足，整体模型可以对多塔结构进行整体计算，计算结果可以将多塔结构的大部分控制参数分塔输出，如位移比、层间位移比、层间侧移刚度比、层间受剪承载力比及剪重比等，它能进行全楼构件的内力计算和配筋，同时将上部荷载与刚度传给基础，进而对基础进行整体设计。

对结构工程师来说，整体模型计算分析更简单便利。但整体模型建模时要将各塔楼全部输入模型，模型自由度太大，在进行各项结构指标试算时，耗时较长，直接影响结构设计的进度。而且整体模型很难分析出上部塔楼不同的扭转特性，在空间震动图分析时，需要设计人员有较高的判断能力和实践经验，离散模型则能够将各塔楼分别进行抗震计算和分析，计算结果简单明确。

一般来说，这两种计算方式都要采用，缺一不可。因为离散模型与整体模型有着不同的计算目标或内容，且它们之间互相补充。下面我们就以具体工程为例，分析比较一下两种计算模型下大底盘地下车库的多栋楼结构的计算结果。

3.2 整体和离散两种模型的计算实例比较

xxx国际广场，地下一层为车库，地上6个分塔均为12层，各单塔的平面布置、层高及立面造型基本相同，由地下一层的大底盘车库连为一体。嵌固部位设定在地下室一层顶板处，结构抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为O.05，场地类别Ⅳ类，结构抗震等级为三级。

根据结构空间有限元分析设计软件SATWE计算分析，工程按整体模型和离散模型的2个单塔的控制参数对比结果如下。

1）周期比（取前六个振型）。

《高规》规定：结构平面布置应减少扭转的影响，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9。

由表2可知：整体计算与分塔计算考虑扭转耦联时的各振型振动周期（秒）、X，Y方向的平动系数、扭转系数都不相同，由此计算的周期比也不相同，数值偏差较大，整体模型计算的周期比未能反映出各单塔的实际特性，因此，周期比计算应采用单塔离散模型。

2）位移比：Ratio-Dx，Ratio-Dy：最大层间位移与平均层间位移的比值。

由表3可知：取四个单塔的四个标准层分析比较，整体模型与离散模型的位移比结果很接近，均符合规范规定。

3）层间侧移刚度比。

高层建筑下部楼层侧向刚度宜大于上部楼层的侧向刚度，否则变形会集中于刚度小的下部楼层而形成结构薄弱层，所以应对下层与相邻上层的侧向刚度比值进行限制。

由表4可知：取四个单塔的四个标准层分析比较，整体模型与离散模型的层间侧移刚度比结果很接近，均符合规范规定。

4）层间受剪承载力比。

楼层抗侧力结构的承载能力突变将导致薄弱层破坏，《高规》针对高层建筑结构提出了限制条件，A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。

由表5可知：取四个单塔的四个标准层分析比较，整体模型与离散模型的层间侧移刚度比结果很接近，均符合规范规定。

5）剪重比。

《高规》对各楼层水平地震剪力最小值的要求，规定了不同设防烈度下的楼层最小地震剪力系数（即剪重比），当不满足时，结构水平地震总剪力和各楼层的水平地震剪力均需要进行相应的调整或改变结构刚度使之达到规定的要求。

由表6可知：整体模型与离散模型的剪重比结果基本一致，均符合规范要求。

6）刚重比。

结构整体稳定性是高层建筑结构设计的基本要求。研究表明，高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体失稳的可能性很小。高层建筑结构的稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，以免引起结构的失稳、倒塌。结构的刚度和重力荷载之比（简称刚重比）是影响重力P一△效应的主要参数。

当高层建筑结构满足下列规定时，弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。

当高层建筑结构满足下列规定时，弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。

由表7可知：整体模型与离散模型的刚重比结果基本一致，其中两种算法都通过了《高规》的整体稳定验算，并且可以不考虑重力二阶效应。

4 结论

1）多栋楼大底盘结构在结构设计时，首先应该确定嵌固端所在的位置。如果能把地下室顶板作为结构的嵌固端，将会简化结构计算模型，明确结构的传力途径，解决整体建模时结构体系存在各塔楼质量偏心和刚度不均匀的问题。同时，嵌固端的位置也直接影响工程造价。

2）多栋楼大底盘结构设计时，通常必须用整体模型和离散模型进行包络设计，其中周期比必须是两种模型比较得出结论。位移比、层间侧移则度比、层间受剪承载力比以及剪重比，刚重比等两种计算结果很接近，两种计算方法选择其一即可。

参考文献

[1]GB 5001l—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ 3—20lO高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]唐兴荣，高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.endprint

整体模型和离散模型各有优势和不足，整体模型可以对多塔结构进行整体计算，计算结果可以将多塔结构的大部分控制参数分塔输出，如位移比、层间位移比、层间侧移刚度比、层间受剪承载力比及剪重比等，它能进行全楼构件的内力计算和配筋，同时将上部荷载与刚度传给基础，进而对基础进行整体设计。

对结构工程师来说，整体模型计算分析更简单便利。但整体模型建模时要将各塔楼全部输入模型，模型自由度太大，在进行各项结构指标试算时，耗时较长，直接影响结构设计的进度。而且整体模型很难分析出上部塔楼不同的扭转特性，在空间震动图分析时，需要设计人员有较高的判断能力和实践经验，离散模型则能够将各塔楼分别进行抗震计算和分析，计算结果简单明确。

一般来说，这两种计算方式都要采用，缺一不可。因为离散模型与整体模型有着不同的计算目标或内容，且它们之间互相补充。下面我们就以具体工程为例，分析比较一下两种计算模型下大底盘地下车库的多栋楼结构的计算结果。

3.2 整体和离散两种模型的计算实例比较

xxx国际广场，地下一层为车库，地上6个分塔均为12层，各单塔的平面布置、层高及立面造型基本相同，由地下一层的大底盘车库连为一体。嵌固部位设定在地下室一层顶板处，结构抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为O.05，场地类别Ⅳ类，结构抗震等级为三级。

根据结构空间有限元分析设计软件SATWE计算分析，工程按整体模型和离散模型的2个单塔的控制参数对比结果如下。

1）周期比（取前六个振型）。

《高规》规定：结构平面布置应减少扭转的影响，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9。

由表2可知：整体计算与分塔计算考虑扭转耦联时的各振型振动周期（秒）、X，Y方向的平动系数、扭转系数都不相同，由此计算的周期比也不相同，数值偏差较大，整体模型计算的周期比未能反映出各单塔的实际特性，因此，周期比计算应采用单塔离散模型。

2）位移比：Ratio-Dx，Ratio-Dy：最大层间位移与平均层间位移的比值。

由表3可知：取四个单塔的四个标准层分析比较，整体模型与离散模型的位移比结果很接近，均符合规范规定。

3）层间侧移刚度比。

高层建筑下部楼层侧向刚度宜大于上部楼层的侧向刚度，否则变形会集中于刚度小的下部楼层而形成结构薄弱层，所以应对下层与相邻上层的侧向刚度比值进行限制。

由表4可知：取四个单塔的四个标准层分析比较，整体模型与离散模型的层间侧移刚度比结果很接近，均符合规范规定。

4）层间受剪承载力比。

楼层抗侧力结构的承载能力突变将导致薄弱层破坏，《高规》针对高层建筑结构提出了限制条件，A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。

由表5可知：取四个单塔的四个标准层分析比较，整体模型与离散模型的层间侧移刚度比结果很接近，均符合规范规定。

5）剪重比。

《高规》对各楼层水平地震剪力最小值的要求，规定了不同设防烈度下的楼层最小地震剪力系数（即剪重比），当不满足时，结构水平地震总剪力和各楼层的水平地震剪力均需要进行相应的调整或改变结构刚度使之达到规定的要求。

由表6可知：整体模型与离散模型的剪重比结果基本一致，均符合规范要求。

6）刚重比。

结构整体稳定性是高层建筑结构设计的基本要求。研究表明，高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体失稳的可能性很小。高层建筑结构的稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，以免引起结构的失稳、倒塌。结构的刚度和重力荷载之比（简称刚重比）是影响重力P一△效应的主要参数。

当高层建筑结构满足下列规定时，弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。

当高层建筑结构满足下列规定时，弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。

由表7可知：整体模型与离散模型的刚重比结果基本一致，其中两种算法都通过了《高规》的整体稳定验算，并且可以不考虑重力二阶效应。

4 结论

1）多栋楼大底盘结构在结构设计时，首先应该确定嵌固端所在的位置。如果能把地下室顶板作为结构的嵌固端，将会简化结构计算模型，明确结构的传力途径，解决整体建模时结构体系存在各塔楼质量偏心和刚度不均匀的问题。同时，嵌固端的位置也直接影响工程造价。

2）多栋楼大底盘结构设计时，通常必须用整体模型和离散模型进行包络设计，其中周期比必须是两种模型比较得出结论。位移比、层间侧移则度比、层间受剪承载力比以及剪重比，刚重比等两种计算结果很接近，两种计算方法选择其一即可。

参考文献

[1]GB 5001l—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ 3—20lO高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]唐兴荣，高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.endprint

整体模型和离散模型各有优势和不足，整体模型可以对多塔结构进行整体计算，计算结果可以将多塔结构的大部分控制参数分塔输出，如位移比、层间位移比、层间侧移刚度比、层间受剪承载力比及剪重比等，它能进行全楼构件的内力计算和配筋，同时将上部荷载与刚度传给基础，进而对基础进行整体设计。

对结构工程师来说，整体模型计算分析更简单便利。但整体模型建模时要将各塔楼全部输入模型，模型自由度太大，在进行各项结构指标试算时，耗时较长，直接影响结构设计的进度。而且整体模型很难分析出上部塔楼不同的扭转特性，在空间震动图分析时，需要设计人员有较高的判断能力和实践经验，离散模型则能够将各塔楼分别进行抗震计算和分析，计算结果简单明确。

一般来说，这两种计算方式都要采用，缺一不可。因为离散模型与整体模型有着不同的计算目标或内容，且它们之间互相补充。下面我们就以具体工程为例，分析比较一下两种计算模型下大底盘地下车库的多栋楼结构的计算结果。

3.2 整体和离散两种模型的计算实例比较

xxx国际广场，地下一层为车库，地上6个分塔均为12层，各单塔的平面布置、层高及立面造型基本相同，由地下一层的大底盘车库连为一体。嵌固部位设定在地下室一层顶板处，结构抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为O.05，场地类别Ⅳ类，结构抗震等级为三级。

根据结构空间有限元分析设计软件SATWE计算分析，工程按整体模型和离散模型的2个单塔的控制参数对比结果如下。

1）周期比（取前六个振型）。

《高规》规定：结构平面布置应减少扭转的影响，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9。

由表2可知：整体计算与分塔计算考虑扭转耦联时的各振型振动周期（秒）、X，Y方向的平动系数、扭转系数都不相同，由此计算的周期比也不相同，数值偏差较大，整体模型计算的周期比未能反映出各单塔的实际特性，因此，周期比计算应采用单塔离散模型。

2）位移比：Ratio-Dx，Ratio-Dy：最大层间位移与平均层间位移的比值。

由表3可知：取四个单塔的四个标准层分析比较，整体模型与离散模型的位移比结果很接近，均符合规范规定。

3）层间侧移刚度比。

高层建筑下部楼层侧向刚度宜大于上部楼层的侧向刚度，否则变形会集中于刚度小的下部楼层而形成结构薄弱层，所以应对下层与相邻上层的侧向刚度比值进行限制。

由表4可知：取四个单塔的四个标准层分析比较，整体模型与离散模型的层间侧移刚度比结果很接近，均符合规范规定。

4）层间受剪承载力比。

楼层抗侧力结构的承载能力突变将导致薄弱层破坏，《高规》针对高层建筑结构提出了限制条件，A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。

由表5可知：取四个单塔的四个标准层分析比较，整体模型与离散模型的层间侧移刚度比结果很接近，均符合规范规定。

5）剪重比。

《高规》对各楼层水平地震剪力最小值的要求，规定了不同设防烈度下的楼层最小地震剪力系数（即剪重比），当不满足时，结构水平地震总剪力和各楼层的水平地震剪力均需要进行相应的调整或改变结构刚度使之达到规定的要求。

由表6可知：整体模型与离散模型的剪重比结果基本一致，均符合规范要求。

6）刚重比。

结构整体稳定性是高层建筑结构设计的基本要求。研究表明，高层建筑混凝土结构仅在竖向重力荷载作用下产生整体失稳的可能性很小。高层建筑结构的稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，以免引起结构的失稳、倒塌。结构的刚度和重力荷载之比（简称刚重比）是影响重力P一△效应的主要参数。

当高层建筑结构满足下列规定时，弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。

当高层建筑结构满足下列规定时，弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应的不利影响。

由表7可知：整体模型与离散模型的刚重比结果基本一致，其中两种算法都通过了《高规》的整体稳定验算，并且可以不考虑重力二阶效应。

4 结论

1）多栋楼大底盘结构在结构设计时，首先应该确定嵌固端所在的位置。如果能把地下室顶板作为结构的嵌固端，将会简化结构计算模型，明确结构的传力途径，解决整体建模时结构体系存在各塔楼质量偏心和刚度不均匀的问题。同时，嵌固端的位置也直接影响工程造价。

2）多栋楼大底盘结构设计时，通常必须用整体模型和离散模型进行包络设计，其中周期比必须是两种模型比较得出结论。位移比、层间侧移则度比、层间受剪承载力比以及剪重比，刚重比等两种计算结果很接近，两种计算方法选择其一即可。

参考文献

[1]GB 5001l—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ 3—20lO高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]唐兴荣，高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.endprint