“多塔围洞”拱式转换设计及施工关键技术

刘维芸

上海市嘉定区建设工程安全质量监督站 上海 201822

1 多塔围洞体系

大底盘多塔高层转换结构以其优越的建筑功能，在国内外经济发达地区已被广泛采用。对于此类新型的建筑体系，我国目前规范对其抗震性能分析并无明确规定。而许多存在地下室下沉广场、采光天窗等设计的“多塔围洞”结构，其自身更容易有结构不规则性和底层嵌固薄弱性并存现象，导致我们对结构的抗震反应、高位转换应力、裙房楼板应力等需进行深入的计算分析，以满足抗震要求[1-5]。

1.1 大底盘开洞顶板嵌固技术条件

大开洞对地震下结构与顶板协调作用影响显著，结构周期和侧移的变化结果是抗震设计的关键。满足顶板刚性假定、顶板传递合理的水平力是大底盘作为嵌固端的首要技术条件。开洞地下室作为大底盘，其内力分析较为复杂。由于开洞造成的顶板刚度局部减弱，可以通过采取加大配筋、提高混凝土强度、增厚顶板等方式给予加强。值得注意的是，开洞位置并非一定是应力最大处，平面转角等应力集中处同样值得注意。在条件允许的情况下，也可以下一层不开洞顶板作为嵌固端设计。

1.2 多塔围洞建筑结构分析

多塔结构为达到其底部大空间的目的，需对其结构进行转换。梁式转换受力分析明确，在工程中较为常用，但容易发生较大的扭曲现象，且不宜进行设备开洞。桁架转换可以有效降低自重，结构优势明显，但对设计要求较高，且对施工要求极高；因其扭转能力较弱，故在实际设计中并不常用。厚板转化刚度大，但同时存在造价高、自重大等弊端，对抗震设计不利，在高烈度设防地区应用有限。多塔围洞上部结构不能以设抗震缝形式进行简化，裙房成为极为重要的结构部分。

2 工程实例

2.1 工程概况

某项目由6栋超高层（23～33层）、局部4层的整体地下室及小区配套组成。地下1层和2层为商业建筑，层高5.2 m，地下3层和局部地下4层为停车库和设备用房，层高3.2 m。其中主楼范围设层高2.8 m的地下1夹层，整体地下室设层高1.2 m的地下2夹层。建筑在主楼投影范围以外的地下室中布置上空的人工河和下沉广场（图1）。15#楼的1～9层定义为双塔结构，9层以上定义为单塔。图2是Midas软件的三维整体计算模型，其对转换厚板和转换拱等进行了真实的模拟。

图1 多塔围洞结构布置模型

图2 15#三维整体计算模型

2.2 自震特性及控制指标

表1给出了15#楼前3个振型的自振特性参数，表中数据显示该楼自振特性良好，振型清晰，扭转为第三振型，T扭/T1为0.66＜0.85，符合我国现行规范的要求。

表1 15#楼自振特性

用SATWE软件对15#楼进行抗震分析，框支柱抗震等级为特一级，轴压比限值≤0.6。采用复合箍及钢筋芯柱后，轴压比可提高0.15，轴压比限值可为0.75，满足要求。

2.3 多塔抗震分析

为考察顶板开洞、四周地基土约束的整体地下室对上部结构动力特性的影响，本文进行了多塔分析。不计上部结构首层楼板与地下室顶板之间1.5 m错层的影响，取消15#楼9层以下的双塔定义，上部结构楼板采用刚性楼板（非强制性）假定，计入四周土体对地下室外墙的约束，地基土的基床系数取100 000 kN/m3。

地下室顶板分别采用刚性板和弹性板假定时，分析结果表明，由于地下室参与整体分析，结构之间的相互作用使相同上部结构的自振周期产生了一些变异。但是本工程地下室有足够的侧向刚度，顶板有足够的厚度和平面内刚度，这样一个带约束大底盘的多塔模型，对上部结构的自由振动特性并不能产生实质性的改变，三者仍相当接近。由于洞口、河道两侧和高层建筑周围的楼板得到了适当加强，故即使是横跨人工河的桥面板（薄弱连接板），也未发生局部振动。只要将楼板配置足够的钢筋，在中震作用下保持弹性状态，保证水平力的传递，即可将上部结构嵌固在地下室顶板且能满足规范要求。通过上述连体、分体模型包络设计，抗震性能已满足设计要求，多塔结构均匀布置，可确保结构抗侧刚度、抗扭转刚度互相协调。加强洞口边、楼板开洞部位钢筋布设，对结构抗裂、抗震有积极影响。

2.4 转换构件分析

15#楼采用拱式转换，转换构件由转换厚板、转换拱肩、拱圈及框支柱四部分组成。其中板厚1.0 m，拱肩厚1.0 m，采用壳单元模拟。拱圈断面尺寸2.0 m×1.2 m，框支柱断面尺寸2.0 m×1.2 m，采用杆单元模拟。转换构件参与整体抗震分析，图3给出了转换层的局部放大模型。

图3 拱式转换层局部模型

1）对构件挠度的分析。板的最大弹性挠度为10 mm。厚板的最大弯矩发生在最大挠度邻近区域，且起控制作用的是竖向荷载。因转换厚板跨度较小，转换的形式为板与拱肩共同托墙，冲切剪应力的数量级很小，对板的设计起不到控制作用，因此，可略去剪应力的组合。

2）对拱圈在重力荷载代表值作用下和地震作用下的轴力和弯矩的分析。中震组合后，拱圈纵向钢筋为56根，直径28 mm，全截面配筋率1.4%。中震时，处于弹性状态。

3）对拱肩应力的分析。拱肩在重力荷载代表值作用下中曲面上的应力分布云图显示，下边缘混凝土处于受拉状态，与拱圈接触的附近，局部发生应力集中，普遍处于受压状态，且应力水平不高，约为3 MPa。

4）对框支柱应力的分析。重力荷载代表值作用下的最大水平变形仅2 mm，可见转换层两侧的剪力墙和框支柱有足够的侧向刚度承受拱向外的水平推力。框支柱纵向钢筋为24根，直径28 mm，全截面配筋率0.6%，中震时处于弹性状态。

3 施工关键措施

1）设计以地下室开洞顶板作为嵌固端，除应满足上海市DG J08-9—2013《建筑抗震设计规程》外，还应对高大于600 mm的错层处楼面梁采取梁端加腋措施。将错层处箍筋全面加密，地下室箍筋亦全高加密。

2）将结构的抗震等级从三级提高到二级。原本抗震等级已经是二级及以上的部分，进一步加强延性。主楼首层楼板的梁，在与地下室墙体连接的一侧，作加腋加强，首层楼板厚度不小于180 mm。下沉式广场周围、河道两侧和跨河桥面板按中震弹性设计，层间位移角应当控制在不大于 1/9 999。

3）当轴压比大于0.70但不大于0.75时，在截面中部设附加芯柱。转换层厚板双层双向配筋，每层每方向配筋φ16 mm@150 mm。剪力墙两边各1 000 mm范围内集中配筋，增设暗梁。严格控制转换层上下刚度比，尽量减少上部剪力墙的布置，加厚落地剪力墙。控制转换层上下刚度比不小于0.70，当小于0.70但不小于0.60时，乘1.15薄弱层剪力增大系数。楼板厚度不小于120 mm，双层双向配筋，配筋率不小于0.4%。小墙肢和短肢剪力墙的配筋率和配箍率按抗震等级提高一级执行。

4 结语

1）将地下室顶板作为抗震设计嵌固端切实可行。当地下室顶板开大洞时，需要采取加强措施，限制顶板的变形，加强顶板的配筋，作中震弹性设计。

2）15#楼转换层有限元分析结果表明，结构高位转换拱圈、拱肩、厚板的空间转换形式，其力学性能优于梁搁梁的平面转换形式。