关于多塔复杂体型建筑的结构设计探讨

吴俊良杭州中宇建筑设计有限公司（361000）



关于多塔复杂体型建筑的结构设计探讨

吴俊良
杭州中宇建筑设计有限公司（361000）

摘要：大量体系复杂的建筑随着建筑功能和建筑外观的多样化需求而不断涌现出来，其中很典型的就是大底盘多塔楼连体高层建筑。这里首先对双塔连体高层建筑结构的特点进行了介绍，然后根据某一具体工程实例，详细分析了大底盘双塔复杂高层建筑结构设计中所存在的一些问题。

关键词：高层；多塔楼；结构设计；措施

1　高层建筑结构设计的特点

1．1水平荷载成为决定因素

一方面，楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比。水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，与楼房高度的两次方成正比。另一方面，对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，水平荷载如风荷载和地震荷载，其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

1．2轴向变形不可忽视

当楼层很高时，楼房自重产生的轴向压应力可使中柱产生较大的轴向变形，导致连续粱中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。

1．3侧移成为控制指标

与较低楼房不同，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大。因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

1．4结构延性是重要设计指标

相对于较低楼房而言，高楼结构在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

1．5水平力是设计的主要因素

研究表明，楼房自重和楼面载荷在竖向构件中产生的弯矩和轴力的大小仅与楼房高度的一次方成正比，水平载荷对建筑产生的倾覆力矩及轴力大小与楼房高度的二次方成正比。因此在高层建筑设计中水平力是设计的主要因素。

1．6侧移成为控制指标

建筑结构的侧移随高度的增加而迅速增大（侧移量与楼层高度的四次方成正比），因此结构侧移成为高层建筑结构设计中的关键因素。

2　工程概况

某工程为高层商住楼，位于某市繁华地段，2层地下室，地面l～3层为商场，4～l8层为住宅楼，整个建筑是带2个塔楼的多塔楼结构。

地质条件见表1。

表1　各岩土特征表

3　结构设计

3．1结构选型

由于建筑平面的关系，在结构方案的选择上有两种情况：从基础面开始，上部两栋住宅楼及对应的商场部分用防震缝将它们完全分开，这种结构方案具有明确的各单体受力、传力简单、计算模型和内力较容易等特点；抗震缝不设置在地下室及商场部分，住宅楼部分呈现自然分开，为多塔结构。在对这两种方案进行比较之后，选择了第二种方案进行结构设计。

3．2结构计算

结构计算的关键问题是结构计算模型应该按照整体建模还是应当分塔楼建模。首先，我们分析一下多塔楼的受力情况：带大底盘的高层建筑，结构在大底盘上一层突然收进，属竖向不规则结构；大底盘上有两个塔楼时，地震作用下，各塔楼的震动既相对独立又相互影响。扭转震动反应很大，高振型对结构内力的影响非常突出。其次，分别按照前述的两个方案分别计算发现，内力、位移均有较大差别。尤其是塔楼连接部分的商场楼顶梁内力有15％以上的差别。

就大底盘多塔楼结构而言，当按照塔楼的形式把裙房部分切开进行计算，那么在计算下部裙房及基础时，会产生较大的误差，并且无法考虑各个塔楼之间的相互影响。因此，应该先对整体进行计算，按照较高的规格取足量的振型数，并且注意到塔楼与塔楼之间产生的影响。如果用整体进行计算的话，单个塔楼本身的扭转特性就体现不出来，而且显示不出单个塔楼的平动转动周期比以及刚度比等信息。

根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）的规定，该建筑物抗震设防类别为丙类，所在场地类别为Ⅱ类场地，建筑的地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。本建筑抗震设防烈度为Ⅷ度，根据《高层建筑混凝土结构技术规程（以下简称Ⅸ高规》）的规定，框架-剪力墙结构高度＜60 m时，框架按照三级、剪力墙均按二级抗震等级设计。整体计算结果表明，框架部分承受的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩，X方向为10.42％，Y方向为10.92％，均不大于50％，说明结构中剪力墙数量满足要求，框架按三级设计也是合理的。该工程体型和结构布置复杂，为多塔楼结构，属于复杂高层建筑，整体计算按照SATWE程序进行计算，整体计算结果需满足规范的各项指标要求。

该工程结构与底盘结构中心的距离与底盘相应边长之比X向为2.33％，Y向为2.6％，均不大于底盘相应边长的20％，说明两塔楼层数和刚度较接近。塔楼和底盘的刚度偏心较小。

地下室一层的楼层侧向刚度X向为上一层的3.17倍，Y向为2.82倍，均满足大于相邻上部结构楼层侧向刚度2倍的要求，因此上部结构的嵌固部位为地下室顶板，构造上，楼板厚度为200 mm，混凝土强度等级为C30，双层双向配筋φ12@l50。

多塔楼结构属于复杂高层建筑，通过控制单个塔楼位移比不应大于该楼层平均值的1.4倍来限制塔楼平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。

单个塔楼周期比控制的目的主要是控制结构在地震作用F的扭转效应。该分析计算通过多塔楼结构的分体计算模型进行，同时需满足规范的要求。

4　变形缝的设置

工程各塔楼高度不同，体型相差较大，塔楼间还设空中连廓，又有裙房相连，同时具备了多塔楼、连体结构的性质，属超限的高层建筑，有多处薄弱部位，对抗震极为不利。根据抗震设计的要求，可以在适当位置设置防震缝，形成较规则的结构单元。

如果各塔楼的体型、刚度差异非常大的时候，连体结构、多塔结构会随着地震的作用而产生复杂的相互耦联的振动，加上扭转和连接处等抗震薄弱部位的影响，抗震效果大大降低，这对抗震来说是极其不利的。有连接的塔楼之间的距离并不是很大，所以可以采用悬挑的连廊形式，然后将防震缝设置在连廊的中间处，将原本的连体结构分解成一个个独立的塔楼。同理，在每个塔楼之间，要设置多道防震缝，将多塔楼分成一个个规则的单塔，这样做不仅有利于使薄弱部位的震害得到减轻，还能够增强上部结构抗震能力。

5　加强建筑抗震构造设计

在多塔楼结构中，能够协同各塔楼共同作用的是裙房顶层楼盖。由于塔楼与塔楼之间会产生相互作用，会在裙房屋面层楼板中产生较大的水平拉压力和弯矩，所以要对裙房屋面层梁板的刚度、承载力以及其与各塔楼之间的连接构造进行加强。在工程设计过程当中，要想保证结构底盘与塔楼的整体作用，需要满足以下几个条件，将裙房屋面层楼板加厚到150 mm，双层双向配筋φ12@150；主梁与次梁上下通长钢筋要大于梁上下最大配筋量的50％。裙房屋面上层和下层的楼板均加厚120 mm。

6　结语

如今，虽然我国在高层建筑建设上发展迅速，但是在设计质量方面并不理想。结构工程师在高层建筑结构设计中，不能只对结构计算的准确性高度重视，还得根据结构的实际情况，选择出合理的结构方案。

高层建筑结构设计人员在分析过程中，要切实考虑实际情况，运用已有的知识对实际建筑设计中遇到的各种问题进行处理。