大底盘多塔建筑结构设计分析

胡洪波，李 红

（江西建设职业技术学院，江西 南昌 330000）

引言

现阶段建筑施工中，大底盘多塔建筑结构多数为上下联合式建筑，一般由1 个大裙房承载着诸多建筑。从整体设计情况来看，这类建筑主要是竖向结构，且结构存在着不规则性的设计特点，从大底盘的上部第一层收紧，底盘上部出现两个以上塔楼时，结构振型将会变得十分复杂，有时还会出现扭转振动的情况[1]。因此，有必要对建筑结构布置予以规范，避免竖向刚度出现变化。

1 结构布置与设计条件分析

1.1 结构布置

建筑在结构设计方面采用了50 a 的使用年限，安全等级是2 级。裙房结构的平面设计中，长度为154 m，宽81 m，采用框架剪力墙结构，为满足具体商用功能，2-6 层平面有多个尺寸为15～25 m 范围内的开洞。多数框架都使用了梁板式结构，对于少部分跨度比较大的区域，使用了1 300 mm 梁高的混凝土结构，最终实现了对荷载的有效传递[2]。裙房结构的左下角位置处于4-6 层，此处需要甚至能够跨层的悬挑桁架，底部会有钢骨吊柱，该结构需要承担楼面荷载，图1 为大底盘多塔式建筑结构示例。

图1 大底盘多塔式建筑结构示例

住宅塔楼结构的平面尺寸中，长和宽分别为44 m 和26 m，在多塔式结构的5 层楼顶部设置一个转换层，下部框架结构和剪力墙之间产生框架剪力墙的主体结构。

1.2 风荷载计算参数

项目中50 a 的重现期风压值大约在0.5 kN/m2，对结构进行水平位移计算与验证的时候，风荷载需要按照风压来取值，其中风荷载的体系系数为1.4。计算承载力的时候，一般会依据风压1.1 倍进行取值，风荷载下的阻尼比取值0.05。

1.3 地震荷载计算参数

按照建筑结构抗震设计的相应规范，联合地勘报告，本项目的抗震设防烈度确定为7 度，基本地震加速度设计为0.1 g。表1 为地震作用下的各项参数取值情况。

表1 地震作用下的各项参数取值

2 大底盘多塔建筑结构优化设计

2.1 加强隔震层设计

通常情况下，大底盘多塔式建筑结构常常被用于高层或者超高层建筑结构设计中，底盘上的每个塔楼都有着独立的结构，且变形程度与塔楼大底盘连接刚度有关[3]。以某项目为例，该多塔式结构建筑占地面积和建筑面积分别为1.73 万m2和13 万m2，属于商业与住宅用地，共有5 层裙房。此外，还有两栋层数为38层的住宅，高度达到了120.55 m；一栋层数为6 层的办公楼，高度达到了67.4 m。从建筑的功能考虑，该多塔式建筑没有设置结构丰富，各个塔楼在裙房的作用下连接为一个整体，最终形成了大底盘多塔式结构，地下共有3 层，人防区域处于地下二层。

采用能量法对隔震层加以优化设计，通过最优屈服力校验分析得出最佳设计方案。基于地震作用掌握建筑结构当中的强度与刚度的实际分布，从中发现三者之间没有直接联系，那么可能会与结构基本周期有所关联。明确隔震层的剪力响应和屈服力之间的关系，相应数学表达公式如下所示：

式中：α1指的是建筑结构隔震层的整体剪力系数；αs指的是铅芯阻尼下的结构基底建立系数，也就是隔震层屈服力和重量之间的比值；α0是隔震支座结构基底剪力系数；VE为地震输入总能量等效速度；T 是支座水平刚度下的基本周期；α 是阻尼器效果系数；g 指的是重力加速度。以上公式的应用与计算可确定支座大小，计算当前建筑隔震层的最优阻尼情况，假设采用了22 万t 无铅芯阻尼模型，计算后得知支座基底剪力系数的计算结果为0.110 4，所以平均每1 万t 的隔震层最优屈服力计算结果是2 760 kN。

对建筑隔震层展开优化设计，表2 为隔震支座的参数情况，其中阻尼的部分屈服力计算后结果是91 028 kN，为了尽可能的降低隔震层的位移，燮制建筑结构平面扭转变形，在隔震层处设置150 t 阻尼器，其阻尼系数最高可达到1 500 kN/（m/s）。所有隔震支座中，型号为LRB900 的支座用量最多，需要131 个；型号为LRB1200 的支座用量最少，只需46 个。隔震层设计期间，燮制支座长期面压不能超过12 MPa。

表2 隔震支座参数情况

2.2 上部结构设计分析

底部裙房可考虑进行非隔震模型设计，如果裙房刚度较小，可直接简化模型，对于塔楼裙房上部结构，建议采用“输入顶楼面谱”的设计方式。经过隔震设计后，上部结构属于平动形式，建议接下来对第一代楼面谱计算方法加以简化，通过地面反应谱进行楼面反应谱的预估分析。下列公式就是楼面谱地震影响系数的最大值公式：

式中：αmax和αmax楼面分别指的是规范反应谱内与针对楼面谱的地震影响系数的最大值；PGA楼面和PGA基底分别指的是楼面加速度反应峰值与输入地震波的峰值加速度情况。根据以上数据计算地震影响系数，最终完成对上部结构的优化设计。

2.3 基础设计

项目的地块四周近年来没有产生过地质灾害问题，且构造断裂现象不明显，地基结构十分稳定，上层为素填土和粉土，下层为粉砂质泥岩，地基与桩基础等级均属于甲级。结合地勘报告与周围情况，本项目决定使用灌注桩基础，混凝土采用C35 的强度等级，塔楼和裙房结构的抗压使用钻孔灌注桩基础，其中以中风化泥岩为持力层，钻孔灌注桩的桩径最大1 600 m，桩端需要进入持力层6 m 以上，但不会超过18 m。单个桩体的抗压承载力最小4 300 kN，最大17 000 kN，由桩身燮责燮制承载力。地下燮采取柱下抗压与抗拔相结合的灌注桩，其中桩径最大1 000 mm，桩端大约有6 m 需要进入持力层，桩的抗压承载力方面，最小可以达到4 300 kN，最大可以达到6 700 kN。

2.4 大底盘多塔计算

建筑中，多塔式结构的底盘上层结构会发生突然缩进，这与结构竖向不规则有关，在塔楼与底盘的结合区域出现了竖向结构刚度突变，进而产生了薄弱部位。塔楼之间形成相互作用，导致最终塔楼结构的振型颇为复杂，这是造成扭转振动的主要原因之一，一旦结构布置不合理，扭转振动问题将会加剧[4]。经过实验研究得知，塔楼和大底盘之间的结合位置，与上下一层的结构构件在地震作用下会发生严重的破坏，为确保多塔式结构设计的合理性，有必要对大底盘结构展开专项分析，经过多塔计算，得知多塔与单塔模型振型大致相同，且平动周期比较接近，多塔的逆转周期稍大，可见各塔楼之间存在着相互作用，大底盘可以向平动提供侧向刚度，同时刚度的分散会加剧扭转效应。在建筑施工设计时应综合多塔与单塔模型情况，以此为参考依据。由于建筑中每个单塔核心筒会遇到偏置的问题，因此有必要在端部设置刚度较大的跨层BRB，改善建筑基础结构的刚度部分情况，图2为BRB 的平面布置情况，表3 为BRB 的设计参数。

图2 BRB 平面布置

表3 跨层BRB 设计参数

2.5 型钢混凝土梁剪扭分析

裙房处使用了型钢混凝土梁结构，对于特殊位置出现了弯剪扭等复杂应力状态，使用ABAQUS 软件完成有限元计算，从而对结构的抗震性能加以评估。设计师根据计算结果知道施工图配筋设计，提取YJK 结果的弯矩、剪力以及扭矩信息，将其融入模型设计中[5]。箍筋与腹板的应力应达到200 MPa 以内，确保梁结构的扭矩能够时刻保持着弹性的状态；抗弯钢筋应达到400 MPa，剪力达到700 kN 之后，混凝土将会进入塑性阶段，这说明混凝土结构受拉开裂，在这之后一直到施加荷载，梁的刚度都不会产生显著的下降趋势，所以说明界面抗剪抗扭能够保持着弹性的状态，也能达到多塔式建筑结构的安全性与稳定性设计需求。

3 结论

总而言之，本研究在研究过程当中，以大底盘多塔式结构作为研究对象，对该建筑结构展开优化设计，从结构体系与布置情况入手，确保结构设计的合理性与安全性。综合风荷载与地震设计参数情况，完成隔震层设计、上部结构设计以及基础设计，再经过大底盘多塔计算和型钢混凝土梁剪扭分析，最大程度上保障多塔式结构设计的合理性，确保大底盘与裙房、塔楼等部分的结构稳定性，延长建筑使用寿命，提高建筑使用价值。