1、浅析某高层大底盘建筑的结构设计摘要：随着社会经济的发展，城市建设中的高层建筑不断涌现，高层建筑的类型与功能愈来愈复杂，结构体系更加多样化，高层及超高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。本文针对大底盘上的多塔建筑的不同特点，从概念设计、结构分析、构造措施等方面进行结构设计，使结构具有较好的抗震性能。 关键词：高层；大底盘；多塔楼；抗扭梁技术；抗震设计；构造措施 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 1.结构分析 1.1 结构选型 本工程地下两层，为地下车库；地上三栋塔楼，分别为酒店塔楼为25 层，公寓式酒店塔楼为 12 层，商住塔楼为 20 层；塔楼间
2、设 2 层商业裙房。为满足建筑的使用功能需求，选用框支-剪力墙结构体系，转换层设置在 3 层架空层（即裙房屋面） 。该工程为带转换层的复杂高层结构，采用框支梁转换上部酒店及商住楼的剪力墙。 1.2 抗震设计方面的问题 本工程大底盘多塔的各塔楼质量和刚度分布不均匀，且在平面布置上又不对称于大底盘，在地震作用下结构扭转振动反应较大。大底盘顶层楼盖起着协同各塔楼共同工作的作用，而转换层设置于该层，故此处也为结构上下刚度突变处。理论分析和试验结果均表明，在地震作用下，裙房顶层及上一层是最先破坏且破坏最严重的位置。为保证结构的抗震性能要求，结构整体力学分析与抗震性能分析应选择合理的计算模型，以找出可能出
3、现的薄弱部位，并在设计中采取构造加强措施提高其抗震能力。 1.3 结构整体计算 结构整体动力分析，采用中国建科院开发的 SATWE 和 PMSAP 两种不同力学模型程序，PMSAP 主要作为校核程序。 本工程为非对称的多塔结构，由于存在双向偏心，在自由振动条件下结构存在平扭耦连振动。因此，结构计算时，除考虑双向地震作用外，还需要考虑平扭耦连计算结构的扭转效应。本设计采用的计算振型数为30，计算得到 X、Y 方向的振型参与质量系数分别为 95.3%、97.1%。通过对结构整体空间振动简图与振型图分析可知，结构整体扭转不明显，未出现整体结构扭转振型特征。由于本工程为框支-剪力墙复杂结构且具有一定的
4、高度，故结构竖向荷载加载方式按模拟施工加载和一次性加载两者加载模式分别计算。实际结构竖向荷载加载方式与计算模型中单纯的模拟施工和一次性加载均有所不同，故实际配筋取用模拟施工时的计算结果，并参考一次加载计算结果适当予以放大。 1.4 单塔计算 假定裙房与主楼楼板连接薄弱部位发生破坏，裙房与主楼都可以成为独立的抗震单元，在每个单元内部都有足够数量的钢筋混凝土抗震墙，能形成明确的、独立的结构抗侧力体系，保证结构整体安全。三个塔楼单元须各自另建计算模型，作为整体模型计算结果的补充校核，满足“大震不倒”的设计原则。加强转换层下部的结构刚度，本工程酒店塔楼、公寓式酒店塔楼、商住塔楼的转换层上、下结构的等效
5、侧向刚度比X 向分别为 0.95、0.97、0.93，Y 向分别为 0.97、0.98、0.95。 1.5 角柱计算 由于角部框支柱受力特别复杂，角部扭转效应明显，因此角柱须按抗震设防烈度提高一度、抗震等级提高一级进行计算，提高其抗震能力，确保结构安全。 2 结构抗扭设计 结构的扭转效应应从两个方面加以限制：1）限制结构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；2）限制结构的抗扭刚度不能太弱。关键是限制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。当两者接近时，由于振动耦连的影响，结构的扭转效应明显。抗震设计中必须采取措施减小 Tt/T1 的比
6、值，使结构具有必要的抗扭刚度。由材料力学知识可知，抗扭构件离质心越远，其抗扭刚度越大。对于一般的结构工程，要控制结构的扭转效应，按以下构件布置原则：一是增加建筑物周边构件刚度，而降低内部构件刚度；二是在结构布置时尽量减小质心与刚心的偏心率。 针对本工程平面布置情况，在设计中采取了如下措施，以增加其抗扭刚度： 1）剪力墙根据建筑交通核心筒及隔墙的分布情况，按照“均匀、分散、对称、周边”的要求布置，以使结构整体有较好的抗侧移能力和抗扭转能力。尽量加大周边剪力墙的刚度，将上部标准层的角部剪力墙墙肢加长，尽量形成 L、Z、T 等形状，内部剪力墙厚度取用 200mm，而将离质心较远处的周边剪力墙厚度增加
7、到 240mm，使质心与刚心的偏心率得到改善。 2）加强建筑物周边结构梁，将凸窗处结构梁加高至窗台面；在各楼层的凸凹不规则处设拉梁，每隔四层在凹口处局部用混凝土拉板连接，增加结构的整体性，以利于传递水平地震作用。 3）剪力墙的门窗洞口上下对齐，形成明确的墙肢和连梁。 4）结构平面突出部位的结构梁予以适当加高，以便于增加结构的整体性。 综合应用上述措施，通过多次“建立模型-试算-调整模型”的过程，使质心和刚心尽量重合，有效收敛结构的扭转效应。其计算结果以酒店塔楼为代表：平动为主的第一自振周期 T1=2.02s，扭转为主的第一自振周期 Tt=1.54s，周期比 Tt/T1=0.76；在考虑偶然偏心
8、影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值最大值在 3 层，其比值分别为 1.19、1.18。以上结果符合抗震及高层规范的有关规定。 3 框支梁的平面外抗扭梁设计技术 一般情况下，设计假定剪力墙平面外抗弯刚度为零或很小，框支梁与上部墙体截面中心线宜重合；此时计算模型与结构实际受力状态基本一致，计算结果正确可靠。若框支梁与上部墙体截面中心线不重合，例如建筑物周边的剪力墙偏轴布置在框支梁上，将使框支梁受扭。从概念设计的角度可以设想，一旦遭遇到地震作用，框支梁在侧向大位移的状态下，其平面外扭矩会使框支梁失效。针对此点，可设置与框支梁垂直的截面刚度较大的抗扭梁，能有效的
9、抵抗大部分框支梁受到的平面外扭矩作用，同时，利用框支梁本身截面较大的特点，加强其抗扭腰筋，并加大转换层的楼板厚度及配筋。 4 构造处理技术 4.1 大跨度异形板的构造处理 本工程上部商住塔楼采用大开间剪力墙布置方式，留出了很多大尺寸空间以适应用户的不同需求。这些大尺寸空间既可作为宽阔的客厅，又可以灵活隔断，自由分隔为小户型。为了保证空间整体性和适用灵活性，建筑专业要求在这些大尺寸空间中不要布置结构梁，由于其基本上不是方形规整的平面空间，这样就产生了大跨度异形板（跨度从5.76.9m 不等） ，而该板上可能会布置轻质隔墙，荷载情况较复杂。经计算分析发现异形板内凹的阳角处板面应力集中情况相对突出，
10、故在这些部位的板面须设置双向钢筋以覆盖板面应力集中区域；异形板的异形分界处设置宽度 1000mm 的暗板梁；适当增加大跨度异形板厚度。通过以上措施以避免楼板出现裂缝，确保其安全使用性能。 4.2“芯柱”的构造处理 本工程采用“芯柱”的构造措施来加强框支短柱。芯柱的构造方法是在柱截面中部三分之一的核心部位设置纵筋和箍筋，即形成柱内部加强区域，从而形成柱的内、外两套配筋体系；芯柱的附加纵筋面积按柱截面面积的 0.8%取用，该钢筋不计入柱的配筋率内。芯柱的作用原理：弯矩对核心区钢筋的影响小，利用柱周边钢筋抵抗柱承受的弯矩作用，即使混凝土保护层开裂剥落，周边钢筋和混凝土的粘结削弱，而中部芯柱的钢筋和混
11、凝土之间仍具有良好的粘结作用，芯柱部位的钢筋不会发生压曲；即使外围混凝土失效，核心钢筋形成的芯柱仍能抵抗竖向荷载。在遭到罕遇大地震时，采用“芯柱”的构造措施，既可以提高短柱的受压承载力，又可以提高其压缩变形能力，即提高了短柱的延性和耗能能力，相当于对受力不利的短柱增加了一道防护措施，有效地改善了它的抗震性能，确保其在大震时的安全。 5 结束语 5.1 通过合理布置剪力墙，收敛结构的扭转效应，达到减小结构扭转的目的。 5.2 在结构布置时，上部住宅采用大开间剪力墙，这样能有效地减小上、下结构刚度比，又便于下部结构大开间的框支柱、框支梁布置；但大开间形成的大跨度异形板以及下部框支柱，必须根据其特点
12、，对其进行有针对性的计算分析，并采取有效的构造措施，方能确保其结构安全。5.3 框支梁受到偏心力作用时，不能忽视它受到的平面外扭矩作用；通过设置抗扭梁能克服框支梁受到的大部分扭矩作用，而其余部分需要综合利用框支梁本身较大的截面抗扭刚度、加强框支梁的纵向抗扭腰筋、加强转换层结构板厚度及配筋、采用预应力技术等，方能有效彻底地解决。 参考文献： 1建筑抗震设计规范 GB50011-2010，北京：中国建筑工业出版社，2010. 2高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010，北京：中国建筑工业出版社，2010. 3傅学怡. 实用高层建筑结构设计(第二版)，北京：中国建筑工业出版社，2010. 4吕西林. 超限高层建筑工程抗震设计指南（第二版）. 上海：同济大学出版社.2009. 5李国胜. 多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算例（第二版）. 北京：中国建筑工业出版社，2011.
