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大底盘多塔楼高层建筑结构的设计分析
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内容提示：首先对大底盘多塔楼高层建筑结构体系进行整理。在此基础上,针对结构体系并结合大底盘多塔楼高层建筑结构的工程实例,从结构重点关键部位的应力分析和结构设计的构造处理等进行分析,以便得出一些对设计有实际指导意义的结论。
[论文关键词]大底盘 多塔楼 高层建筑 结构设计
[论文摘要]首先对大底盘多塔楼高层建筑结构体系进行整理。在此基础上,针对结构体系并结合大底盘多塔楼高层建筑结构的工程实例,从结构重点关键部位的应力分析和结构设计的构造处理等进行分析,以便得出一些对设计有实际指导意义的结论。
当今高层建筑正日益向多功能方向发展,为满足建筑体型多样化和建筑多功能要求,近年来涌现出大量体型复杂的高层建筑,其中大底盘多塔楼就是很典型的一类。大底盘多塔楼高层建筑是将底部几层公共空间设置为大底盘,在上部采用两个或两个以上塔楼作为主体的结构。如果上部塔楼间在某些楼层通过连体(如连廊)相连,则成为大底盘多塔楼连体结构。对于大底盘多塔楼结构,大底盘上两个或多个塔楼时,结构振型复杂,并会产生复杂的扭转振动,如结构布置不当,竖向刚度突变、扭转振动反应及高振型影响将会加剧,而且由于多个塔楼通过底盘或者底盘和连体相互连接,其振动特性、受力性能、破坏形式、分析模型及计算方法要比一般高层建筑复杂得多。
一、大底盘多塔楼高层建筑结构体系的概述
大底盘多塔楼高层建筑结构体系的主要特点是:在多栋独立的高层建筑底部有一个练成整体的大裙房,即形成了大底盘。大底盘多塔楼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2个或多个塔楼时,结构振型复杂,并会产生复杂的扭转振动,因此如果结构布置不当,竖向刚度突变,扭转振动反应及高振型影响将会加剧。在实际工程的设计中,总的来说,大底盘多塔楼高层建筑结构的设计为大底盘结构顶层楼板可作为上部多塔楼的嵌固端。通常带地下停车位的住宅小区基本属于该种类型。
从结构设计的角度来说,由于大底盘为塔楼嵌固端,各个塔楼在水平和竖向荷载的作用下可以认为是相互独立的,结构内力分析可以分开进行。在这种情况下上部塔楼的结构设计是常规的,可以不作讨论。在进行结构大底盘部分的内力分析时,必须进行整体计算,但由于塔楼的侧向刚度相对于大底盘的侧向刚度来说比较小,因此,上部单个塔楼的在水平地震力作用下对于离塔楼位置较远的大底盘构件产生的影响很小,所以该种情况下对于大底盘的构件内力可以不考虑由于上部多塔楼的存在而对大底盘产生的复杂影响。鉴于此,高层建筑设计规程中并未把此类结构形式归为复杂高层建筑。同样的,在结构设计中,对于竖向荷载作用下,需要进行整体模型计算,来进行基础等构件的设计,在水平荷载作用下,不需要对整体模型进行多塔楼相互影响的复杂结构分析。
二、大底盘顶层楼板可作为上部多塔楼结构的嵌固端
结合一个工程实例来说明结构设计工程中的问题。某住宅小区,地下二层为人防地下车库,地下一层为自行车库,地上为四栋11层的短肢剪力墙结构,抗震设防烈度6度,地震力加速度0.05g,场地类别Ⅳ类,地基基础设计等级丙级,短肢墙抗震等级三级,框架抗震等级四级。由于该高层住宅的地下室抗侧刚度较大,为典型的大底盘多塔楼结构。在结构设计初期,作为先决条件,首先应先进行多塔楼的嵌固端部位的判断,大底盘地下室部分的竖向构件范围选取为从大底盘顶层向外扩大底盘一层层高范围的区域。计算应用中国建筑科学研究院的有限元结构计算软件SATWE进行分析计算,经计算得出大底盘层各方向的抗侧刚度为RJX=2.7828E 07(kN/m),RJY=7.5515E 06(kN/m),上部塔楼一层各方向的抗侧刚度RJX=3.5976E 06(kN/m),RJY=2.6336E 06(kN/m),两者比较得知大底盘层的抗侧刚度比上部塔楼一层的抗侧刚度大一倍以上,因此可以把大底盘顶层楼板作为上部多塔楼结构的嵌固端。
为了更加清晰的说明该种类型的结构在设计过程中先可以单独把塔楼取出,按单塔模型进行水平力下的结构抗侧设计,然后我们对结构进行了整体建模,并应用SATWE程序对上部多塔楼进行多塔定义,然后进行结构的震动特性分析。
计算为单独塔楼模型时可计算得的振动周期为:T1=1.6154,平动系数1.00(0.00 1.00),转角90.20;T2=1.3810,平动系数0.59(0.59 0.00), 转角0.99;T3=1.2555,平动系数0.41(0.41 0.00),转角179.08。
将各栋塔楼全部输入的整体建模时,经过对振型的分析观察,发现,2号楼振动是第一,第四,第七个振型,计算所得的振动周期分别为:Tl=1.5559,平动系数1.00(0.00 1.00),转角89.85;T2=1.3375,平动系数0.65(0.65 0.00),转角0.12;T3=1.2319,平动系数0.35(0.35 0.00),转角179.36。
比较上述两种计算模型的周期特性计算结果,可以看出2号楼在两种计算模型下各振型的周期长度,结构转角和扭转状况非常接近,即是否为单塔楼模型输入或多塔楼的整体模型输入对于各栋塔楼本身来说其振动特性基本是一致的。另外,从整体模型的震型的震动中,我们也可以发现,在大底盘层,远离塔楼的结构构件振动幅度很微小。也就是说,水平力作用下,塔楼对大底盘层远离塔楼处的构件影响很小。因此,我们可以得出结论,在满足大底盘顶层为上部塔楼嵌固层的条件下,各塔楼是可以拆开分别进行结构计算分析,这样的计算假定和简化是符合结构的实际受力状况的,其计算结果也是可用于后续工程设计的。另外,为了保证大底盘顶层楼板的嵌固功能,必须保证大底盘顶层平面内具有足够的刚度,根据《高规》4.8.5条和4.5.5条的规定,采用的构造加强措施有:大底盘顶层楼板结合人防要求,板厚取为300mm厚,且板配筋双层双向拉通设置,配筋率不小于0.3%;另外落地的剪力墙配筋除应符合计算要求外,还应比对应部位上部短肢剪力墙的配筋大1.1倍以上。
三、结论
首先对大底盘多塔楼高层建筑结构体系进行了系统的整理,结合工程实例,对大底盘多塔楼高层建筑结构进行了较系统的分析,得到了如下对工程设计具有参考价值的结论:大底盘顶层楼板可作为上部多塔楼的嵌固层时,属一般的高层建筑结构,塔楼对大底盘层远离塔楼处的影响很小,满足一定的构造要求时上部各塔楼可拆开分别进行结构的整体计算与分析,这样的简化符合结构的实际受力状况。
参考文献:
[1]JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程,北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2]吴剑辉,基于模态原理的多塔楼结构体系振动分析研究[博士学位论文].
北京:中国建筑科学研究院. 来源: 《建筑中文网》.
[论文摘要]首先对大底盘多塔楼高层建筑结构体系进行整理。在此基础上,针对结构体系并结合大底盘多塔楼高层建筑结构的工程实例,从结构重点关键部位的应力分析和结构设计的构造处理等进行分析,以便得出一些对设计有实际指导意义的结论。
当今高层建筑正日益向多功能方向发展,为满足建筑体型多样化和建筑多功能要求,近年来涌现出大量体型复杂的高层建筑,其中大底盘多塔楼就是很典型的一类。大底盘多塔楼高层建筑是将底部几层公共空间设置为大底盘,在上部采用两个或两个以上塔楼作为主体的结构。如果上部塔楼间在某些楼层通过连体(如连廊)相连,则成为大底盘多塔楼连体结构。对于大底盘多塔楼结构,大底盘上两个或多个塔楼时,结构振型复杂,并会产生复杂的扭转振动,如结构布置不当,竖向刚度突变、扭转振动反应及高振型影响将会加剧,而且由于多个塔楼通过底盘或者底盘和连体相互连接,其振动特性、受力性能、破坏形式、分析模型及计算方法要比一般高层建筑复杂得多。
一、大底盘多塔楼高层建筑结构体系的概述
大底盘多塔楼高层建筑结构体系的主要特点是:在多栋独立的高层建筑底部有一个练成整体的大裙房,即形成了大底盘。大底盘多塔楼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2个或多个塔楼时,结构振型复杂,并会产生复杂的扭转振动,因此如果结构布置不当,竖向刚度突变,扭转振动反应及高振型影响将会加剧。在实际工程的设计中,总的来说,大底盘多塔楼高层建筑结构的设计为大底盘结构顶层楼板可作为上部多塔楼的嵌固端。通常带地下停车位的住宅小区基本属于该种类型。
从结构设计的角度来说,由于大底盘为塔楼嵌固端,各个塔楼在水平和竖向荷载的作用下可以认为是相互独立的,结构内力分析可以分开进行。在这种情况下上部塔楼的结构设计是常规的,可以不作讨论。在进行结构大底盘部分的内力分析时,必须进行整体计算,但由于塔楼的侧向刚度相对于大底盘的侧向刚度来说比较小,因此,上部单个塔楼的在水平地震力作用下对于离塔楼位置较远的大底盘构件产生的影响很小,所以该种情况下对于大底盘的构件内力可以不考虑由于上部多塔楼的存在而对大底盘产生的复杂影响。鉴于此,高层建筑设计规程中并未把此类结构形式归为复杂高层建筑。同样的,在结构设计中,对于竖向荷载作用下,需要进行整体模型计算,来进行基础等构件的设计,在水平荷载作用下,不需要对整体模型进行多塔楼相互影响的复杂结构分析。
二、大底盘顶层楼板可作为上部多塔楼结构的嵌固端
结合一个工程实例来说明结构设计工程中的问题。某住宅小区,地下二层为人防地下车库,地下一层为自行车库,地上为四栋11层的短肢剪力墙结构,抗震设防烈度6度,地震力加速度0.05g,场地类别Ⅳ类,地基基础设计等级丙级,短肢墙抗震等级三级,框架抗震等级四级。由于该高层住宅的地下室抗侧刚度较大,为典型的大底盘多塔楼结构。在结构设计初期,作为先决条件,首先应先进行多塔楼的嵌固端部位的判断,大底盘地下室部分的竖向构件范围选取为从大底盘顶层向外扩大底盘一层层高范围的区域。计算应用中国建筑科学研究院的有限元结构计算软件SATWE进行分析计算,经计算得出大底盘层各方向的抗侧刚度为RJX=2.7828E 07(kN/m),RJY=7.5515E 06(kN/m),上部塔楼一层各方向的抗侧刚度RJX=3.5976E 06(kN/m),RJY=2.6336E 06(kN/m),两者比较得知大底盘层的抗侧刚度比上部塔楼一层的抗侧刚度大一倍以上,因此可以把大底盘顶层楼板作为上部多塔楼结构的嵌固端。
为了更加清晰的说明该种类型的结构在设计过程中先可以单独把塔楼取出,按单塔模型进行水平力下的结构抗侧设计,然后我们对结构进行了整体建模,并应用SATWE程序对上部多塔楼进行多塔定义,然后进行结构的震动特性分析。
计算为单独塔楼模型时可计算得的振动周期为:T1=1.6154,平动系数1.00(0.00 1.00),转角90.20;T2=1.3810,平动系数0.59(0.59 0.00), 转角0.99;T3=1.2555,平动系数0.41(0.41 0.00),转角179.08。
将各栋塔楼全部输入的整体建模时,经过对振型的分析观察,发现,2号楼振动是第一,第四,第七个振型,计算所得的振动周期分别为:Tl=1.5559,平动系数1.00(0.00 1.00),转角89.85;T2=1.3375,平动系数0.65(0.65 0.00),转角0.12;T3=1.2319,平动系数0.35(0.35 0.00),转角179.36。
比较上述两种计算模型的周期特性计算结果,可以看出2号楼在两种计算模型下各振型的周期长度,结构转角和扭转状况非常接近,即是否为单塔楼模型输入或多塔楼的整体模型输入对于各栋塔楼本身来说其振动特性基本是一致的。另外,从整体模型的震型的震动中,我们也可以发现,在大底盘层,远离塔楼的结构构件振动幅度很微小。也就是说,水平力作用下,塔楼对大底盘层远离塔楼处的构件影响很小。因此,我们可以得出结论,在满足大底盘顶层为上部塔楼嵌固层的条件下,各塔楼是可以拆开分别进行结构计算分析,这样的计算假定和简化是符合结构的实际受力状况的,其计算结果也是可用于后续工程设计的。另外,为了保证大底盘顶层楼板的嵌固功能,必须保证大底盘顶层平面内具有足够的刚度,根据《高规》4.8.5条和4.5.5条的规定,采用的构造加强措施有:大底盘顶层楼板结合人防要求,板厚取为300mm厚,且板配筋双层双向拉通设置,配筋率不小于0.3%;另外落地的剪力墙配筋除应符合计算要求外,还应比对应部位上部短肢剪力墙的配筋大1.1倍以上。
三、结论
首先对大底盘多塔楼高层建筑结构体系进行了系统的整理,结合工程实例,对大底盘多塔楼高层建筑结构进行了较系统的分析,得到了如下对工程设计具有参考价值的结论:大底盘顶层楼板可作为上部多塔楼的嵌固层时,属一般的高层建筑结构,塔楼对大底盘层远离塔楼处的影响很小,满足一定的构造要求时上部各塔楼可拆开分别进行结构的整体计算与分析,这样的简化符合结构的实际受力状况。
参考文献:
[1]JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程,北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2]吴剑辉,基于模态原理的多塔楼结构体系振动分析研究[博士学位论文].
北京:中国建筑科学研究院. 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200908/13141.htm
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