大底盘多塔超高层建筑结构设计

张树林，梁子彪，胡志伟，周泽宇

(深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司，广东 广州 510000)

1 项目概况

本项目位于南宁市青秀区长虹路与厢竹大道交汇处，项目占地面积约1.73万m2，建筑面积约13万m2，用地性质为商业、办公、住宅。包含5层商业裙房，高度27.10 m；两栋38层超高层住宅，高度为120.55 m；一栋16层办公楼，高度为67.40 m，因建筑功能需求，未设置结构分缝，各栋塔楼通过商业裙房连接为一体，形成大底盘多塔结构。地下2层～3层，局部人防设置于地下2层。项目效果图如图1所示。

2 结构布置及设计条件

结构设计使用年限为50 a，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数取1.0。

2.1 结构布置

裙房结构平面尺寸约154 m×81 m，框架剪力墙结构，因建筑流线、影院功能需要，在商业2层～6层平面分布有若干个不同形状的开洞，开洞尺寸约为15 m～25 m；大部分框架采用普通梁板结构，针对部分跨度较大处，采用梁高1 000 mm～1 300 mm的密肋混凝土梁、型钢混凝土梁等结构形式实现荷载传递；裙房左下角入口处在4层～6层设置跨层悬挑桁架，并在桁架底部设置钢骨吊柱，承担三层楼面荷载[1]。典型裙房平面布置图如图2所示。

住宅塔楼平面尺寸约44 m×26 m，在5层楼顶设置转换层，结构转换层以下框支框架与落地剪力墙形成框架-剪力墙结构，转换层以上为剪力墙结构，共同构成部分框支-剪力墙结构，转换层结构平面布置如图3所示。

办公塔楼平面尺寸约36 m×41 m，呈L形状布置，在五层楼顶设置转换层，为部分框支-剪力墙结构，转换层结构平面布置如图4所示，结构计算模型如图5所示。

商业裙房为重点设防(乙类)，按8度采取抗震措施；其余部分为标准设防(丙类)，按7度采取抗震措施；因塔楼、裙楼间不设缝，各塔楼在裙房高度范围内均按乙类建筑设计，建筑立面及设防分类划分如图6所示。各栋塔楼的转换层均设置于5层楼顶面，住宅塔楼底部加强部位取至转换层以上三层，办公楼底部加强部位取至转换层以上二层。结构构件抗震等级如表1所示。

表1 构件抗震等级

2.2 风荷载计算参数

本项目50 a重现期基本风压为0.35 kN/m2，地面粗糙度类别为C类，风荷载体型系数取1.4，结构水平位移验算时，风荷载按基本风压取值；承载力计算时，按照基本风压的1.1倍取值。风荷载作用下阻尼比为0.05，舒适度验算时阻尼比为0.02。

2.3 地震荷载计算参数

根据GB 50011—2010(2016版)建筑抗震设计规范(简称抗规)及项目地勘报告[2-4]，本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，特征周期0.35 s。地震作用计算参数如表2所示。

表2 地震作用参数取值

3 基础设计

地块周围无地质灾害、构造断裂等不良地质条件，场地稳定，较适宜新建项目。场地从上至下依次为素填土、淤泥、粉土、圆砾、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂质泥岩。本项目地基基础和桩基础等级均为甲级。根据项目地质勘查报告，结合周边项目实际情况，拟采用灌注桩基础，桩身混凝土强度等级C35，其中塔楼及裙房区抗压均采用墙/柱下布置抗压钻孔灌注桩基础，持力层为中风化粉砂质泥岩，桩径为800 mm～1 600 mm，桩端进入持力层约为6 m～18 m，单桩抗压承载力约4 300 kN～17 000 kN，承载力均为桩身控制；纯地下室区域均采用柱下抗压兼抗拔钻孔灌注桩基础，桩径为800 mm～1 000 mm，桩端进入持力层约6 m～10 m，单桩抗压承载力特征值为4 300 kN～6 700 kN，单桩抗拔承载力特征值为700 kN～2 500 kN。

4 结构超限判别及性能目标

4.1 结构超限判别

本工程为部分框支剪力墙结构，塔楼结构高度120.55 m，包含扭转不规则、偏心布置、凹凸不规则、组合平面、楼板不连续、构件间断、塔楼偏置等不规则项，属于超B级高度的特别不规则抗震超限高层建筑工程。

4.2 结构抗震性能目标

综合考虑抗震设防类别、设防烈度及场地、建筑结构功能、土建成本和修复难易程度等因素，结构抗震性能目标定为C级[5]，对应抗震性能水准及设计控制指标细化如表3所示。

5 结构计算分析

5.1 小震弹性计算

分别针对住宅单塔、办公单塔、裙房+塔楼多塔模型，采用YJK,ETABS两种软件进行弹性计算分析，计算结果表明，两种软件的主要计算结果比较接近，整体差异不大。现选取住宅单塔整体指标汇总如表4所示。

表3 构件抗震性能水准及指标

表4 单塔整体指标

计算结果表明，两种软件主要指标计算结果接近，主要结构指标均为地震力控制。

5.2 小震弹性时程分析

采用弹性时程分析方法进行多遇地震下的补充计算。选取5条天然波及两条人工波加速度时程曲线，考虑双向地震作用按照主、次波方式输入。将地震加速度峰值调整为35 cm/s2，地震波振型阻尼比ξ=0.05，地震波的时间间隔0.02 s。

计算结果显示：每条时程波计算所得基底剪力均在反应谱计算结果的65%和135%之间；7条时程波计算所得基底剪力的平均值在振型分解反应谱计算结果的80%和120%之间，时程分析地震波选取符合规范要求；小震设计时需对反应谱法和时程分析法结果取包络值，除Y向底部部分楼层外，反应谱法中多数楼层剪力需要进行放大，最大放大系数为1.287。

5.3 中震计算分析

中震作用的结构基底剪力约为小震基底剪力的2.7倍，根据设防烈度地震作用下的抗震性能目标，采用ETABS和YJK软件按照中震弹性和中震不屈服对剪力墙、框架柱及框架梁、框支构件等分别进行验算。结果显示：剪力墙满足中震受弯不屈服、受剪弹性；框支柱满足中震受弯、受剪弹性的性能目标；框架梁满足中震部分受弯屈服、受剪不屈服的性能目标。底部和顶部局部墙肢出现拉应力，名义拉应力小于2倍混凝土抗拉强度。出现偏心受拉的双肢剪力墙，另一墙肢的弯矩设计值和剪力设计值应乘以增大系数1.25；大偏心受拉墙肢边缘构件配筋率提高至1.4%。

5.4 大震弹塑性时程分析

针对项目特点，采用SAUSAGE软件进行弹塑性时程分析，以考察结构在大震作用下进入弹塑性阶段后的结构响应。选取两组天然波、一组人工波，地震动水平双向输入时，主次方向分别按100%和85%幅值施加。经计算分析(见图7～图9)，大震作用下各层的塑性位移角最大值为1/175，小于1/120，可实现大震不倒的抗震性能目标。

罕遇地震动力分析表明：弹塑性分析基底剪力约为弹性分析基底剪力的62%～98%之间，弹塑性剪重比在7.5%左右，地震能量在弹塑性过程中得到有效耗散。剪力墙受压损坏主要集中在连梁及交接处；其次，由于转换层刚度突变，转换层上一层局部剪力墙出现一定损伤；其余楼层墙肢基本未出现受压损坏。框架梁混凝土出现比较明显的受压损伤，多数混凝土梁端部钢筋屈服，可以有效地作为耗能构件耗能；楼板未出现较严重的受压损伤；转换层转换柱和转换梁混凝土未出现比较明显的受压损伤，基本处于弹性工作状态。

5.5 大底盘多塔计算

多塔结构底盘上一层上部结构突然缩进，属于竖向不规则，塔楼与底盘的结合部位结构竖向刚度发生突变，容易形成薄弱部位。同时，多个塔楼的相互作用，使结构振型复杂，会产生复杂的扭转振动，如果结构布置不当，扭转振动反应及高阶振型叠加影响会加剧。大量的震害实例表明，塔楼与大底盘结合部位及其上下各一层的构件在地震中破坏最为严重，为确保本工程多塔结构设计安全可靠，对多塔大底盘进行了专项分析与研究(见图10，图11)。

多塔计算结果表明，多塔模型与单塔模型的振型基本一致，多塔模型平动周期与单塔平动周期较为接近，扭转周期稍大于单塔模型，表明各塔楼间有一定的相互作用，大底盘对平动提供一定的侧向刚度，而质量与刚度的分散增加了扭转效应。多塔模型中塔楼的层间位移角小于单塔模型中的层间位移角，表明多塔模型各塔楼之间有一定的约束效应。多塔模型下各栋塔楼的振动特性与单塔模型基本一致，各项整体指标较为吻合，多塔模型整体配筋量略大于单塔模型，因此为保证结构安全度，施工图中可采用多塔模型与单塔模型的计算包络值作为设计依据。

5.6 型钢混凝土梁剪扭分析

裙房较多楼层采用型钢混凝土梁，而目前规范并未给出型钢混凝土梁的抗扭计算原则，针对特殊位置中型钢混凝土梁存在的弯、剪、扭复杂应力状态，采用ABAQUS软件进行有限元计算分析(见图12)，以评估其抗震性能目标；并根据计算结果，进一步指导施工图节点及配筋设计。提取YJK计算结果的弯矩、剪力、扭矩施加到模型中，计算结果如下。

箍筋、腹板应力基本处于200 MPa以下，可以保证梁的剪扭处于弹性状态。抗弯钢筋基本达到了标准值400 MPa，型钢翼缘局部应力达到335 MPa。剪力在700 kN后，混凝土有部分进入塑性，表示混凝土部分受拉开裂，之后直至到施加荷载，梁刚度没有明显降低，可以认为截面抗剪抗扭处于弹性状态，可以满足安全要求。

5.7 大跨度悬挑桁架计算分析

为保证建筑的功能需求及美观性，在裙房主入口处无法布置落地竖向受力构件，导致在裙房主入口上方形成跨度为34.5 m的大跨区域(3层，4层裙楼位置左下角处)。同时根据建筑功能要求，该区域布置有三层通高IMAX影院，造成大跨度区域存在较大的楼面荷载且竖向传力路径中断的情况。按照建筑和设备专业要求，在保证建筑净高的条件下，最大梁高为1.2 m，采用常规的钢筋混凝土梁无法满足结构承载力以及正常使用要求。经过多方对比分析，采用4层～6层跨层桁架悬挑方案，并在4层桁架底部设置钢吊柱以承担3层楼面荷载(见图13)。

6 结构加强措施

针对项目结构特点，结合计算分析结果，工程设计中采取如下加强措施：

1)塔楼底部加强区高度取至裙楼屋面以上三层，将底部加强部位剪力墙的抗震等级提高至特一级，墙身水平和竖向分布筋的最小配筋率提高到0.5%，转换层上部4层～5层(过渡层)提高至0.4%；对于个别剪应力较高的墙体，其约束边缘构件配筋率不小于1.5%，以提高其延性能力。

2)因塔楼与裙楼偏置较大，裙楼周边剪力墙、框架柱抗震等级按照特一级，提高其抗剪承载力；体型收进部位上下2层塔楼周边(一跨)竖向构件、裙楼因影院开洞形成的错层位置竖向构件抗震等级提高一级。

3)框支柱及部分剪应力较高的框支梁设置型钢，确保框支框架具有足够的抗剪、抗弯能力，加厚主受力落地剪力墙墙肢厚度至400 mm厚，确保墙肢稳定性，并在落地剪力墙形成的筒体角部及支撑转换梁位置设置型钢。

4)转换层楼板最小厚度为180 mm，按照0.30%配筋率的双层双向配筋；转换层上下两层(共4层)塔楼范围内楼板最小厚度为150 mm，采用双层双向配筋，最小配筋率0.25%，落地剪力墙与周边竖向构件相连的框架梁最小截面宽度不小于2倍楼板厚度，全截面纵向钢筋配筋率不应小于1.0%。

5)结合连接多塔间裙房传力分析，施工图阶段按多塔与单塔模型进行包络设计：裙房部分梁板混凝土强度等级提高至C35；裙房具有一定的嵌固效果，板厚可取130 mm～150 mm，配筋率按0.20%～0.3%双层双向设计；分别按单塔和多塔考虑顶板的嵌固作用，增大首层及地下1层塔楼范围框架梁或连梁截面。

6)办公塔楼转换层以上属于较多短肢剪力墙结构，按高规中短肢剪力墙结构进行设计加强。

7 结语

以超B级高度的大底盘多塔超限结构为研究对象，采用YJK，MIDAS，ETABS，SAUSAGE等多种软件进行小震计算及中、大震性能目标验算；针对项目中的复杂节点及特殊做法进行重点分析；结合抗震超限工程可行性论证研究，从结构体系及布置、计算分析、结构抗震概念设计和构造加强措施等几个方面展开研究，并提出可行的解决措施，为相关工程设计提供一定借鉴意义。