关于高层建筑结构设计中大底盘\多塔楼\高位转换的设计要点及关键技术

【摘要】依据《《高层建筑 混凝土结构技术规程》》（JGJ3-2002） 结合工程实例，阐述大底盘、多塔楼、设计中计算结果分析，桩筏设计调整主楼与裙房差异沉降，解决工程中所遇技术难点及关键技术和对策。

关键词：大底盘、多塔楼、高位转换复杂高层结构设计及关键技术。

中图分类号：TU97 文献标识码： A

一．工程概况及设计要点

1. 概况：位于天津市卫津路与南京路交口的新都广场是一座地下三层、地上二十八层的高层商住楼，建筑总面积10余万平方米，建筑全长202.64米，。由A、B、C、D四个塔楼组成。地下两层平战结合设计，战时为人防工程，平时为汽车库和设备用房。地上三层为商业用房，三层顶标高为15米。其中A座四~二十七层为办公、公寓。结构主体高度94.2米。B、C、D座三层以上设置设备层，设备层层高2.2米。设备层以上四~二十八层为住宅。结构主体高度90.95米。

结构形式A座为钢筋混凝土框架—核心筒结构。B、C、D座为钢筋混凝土框支剪力墙结构。转换层位于三层结构顶——标高15米处，属于规范规定高位转换，设计采用梁式转换结构。因建筑较长且B、C、D座之间不允许设置永久抗震缝，因此地下二层~地上三层15米标高，B、C、D三座塔楼之间，设置两道沉降后浇带，且分别设在塔楼之间裙房第二柱距间处。A座与B座相邻，A与B之间地下层设置一道沉降后浇带，地上一层~地上三层15米设置永久抗震缝。附图一、附图二。

附图一

附图二

2.设计中要点：

由于工程竖向抗侧力构件不连续，需要设置转换构件，高位转换层成为结构薄弱层。又因建筑平面复杂、超长等因素给结构设计带来一定难度。结构设计不仅要使结构计算分析各项指标满足现行规范要求，同时更应注重概念设计，合理进行结构布置，减少扭转和加强结构抗扭刚度。解决好梁柱节点设计、构造。使结构成为抗震能力强的延性结构。基础设计要解决好高层与裙房之间的沉降差，避免次生内力。

二．结构设计及计算结果分析

工程设计于2005年初完成。按照2002现行国家规范、规程设计。设计基本参数：抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组，多遇地震影响系数最大值0.12，罕遇地震影响系数最大值0.72，阻尼比0.05，工程场地类别为三类，特征周期为0.45s，基本风压0.6KN／m2 （100年重现期）。框架抗震等级为一级，剪力墙抗震等级二级。主要采用SATWE计算软件进行结构计算，时程分析，高精度框支剪力墙有限元分析。同时采用PMSAP计算软件复核。

1. A座SATWE计算结果：

周期 转角 平动系数 扭转系数

T1=2.7234 89.79 (0.00+1.00) 0

T2=2.1337 0.27 (0.98+0.00) 0.02

T3=1.8114 153.93 (0.02+0.01) 0.97

扭平比： Ｔ３／T1=1.8114／2.7234=0.6651

规范指标 X方向 Y方向

参与振型的有效质量系数 99.08% 99.37%

结构各楼层最小地震剪力系数 3.26% 2.73%

最大层间位移角 1／1131 1／829

楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移之比 1.29 (X+5%)

1.08 (X-5%) 1.12 (Y+5%)

1.44 (Y-5%)

2. B、C/、D座SATWE计算结果：

周期 转角 平动系数 扭转系数

T1=1.9629 95.28 (0.01+0.99) 0.01

T2=1.9290 3.23 (0.98+0.02) 0.02

T3=1.4661 147.41 (0.01+0.00) 0.99

扭平比： Ｔ３／T1=1.4661／1.9629=0.7467

规范指标 X方向 Y方向

参与振型的有效质量系数 97.14% 96.18%

结构各楼层最小地震剪力系数 2.94% 2.77%

最大层间位移角 1／1294 1／1258

楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移之比 1.29 (X+5%)

1.06 (X-5%) 1.29 (Y+5%)

1.22 (Y-5%)

地震剪力： Fx=38862.34KN ; Fy=36440.08KN

剪弯刚度比X方向:0.7967; Y方向:0.7906;

B、C/、D座SATWE时程分析结果：

地震波

地震基底剪力（KN）

最大层间位移角 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移之比

X方向 Y方向 X方向 Y方向 X方向 Y方向

LAN5-3 25288.2 25287.4 1／3280 1／2223 1.04 1.06

ELC-3 42647.8 38888.8 1／1246 1／1382 1.05 1.04

MMW-3 29799.4 26788.4 1／1757 1／1632 1.03 1.04

时程分析三条波地震剪力平均值：Fx=32578.47KN ;Fy=30321.5KN均小于

CQC:：;Fx=38862.24x0.8 =31089.87KN; Fy=36440.08X0.8=29152.06KN

并且LAN5-3: 地震基底剪力最小值Fx=25288.2KN> CQC: Fx=38862.34X.65=25260.52KN

计算满足现行规范要求。

3．基础设计：

基础形式采用钢筋混凝土桩筏基础。因高层与多层裙房连成整体，从受力情况分析，高层结构内力大，特别是核心筒处内力更大。裙房结构内力相应较小，为减小高层与裙房之间的差异沉降，基础设计中采取考虑上部结构刚度，基于上部结构与基础和桩同工作的基理，

设计中采取了长短桩、大、小直径桩、疏密桩布桩方案。即：在高层柱下、核心筒下集中布置直径800毫米，桩长33.4米钢筋混凝土钻孔灌注桩，特别是在核心筒下加密桩的布置。而在裙房框架柱下集中布置直径600毫米，桩长17.8米钢筋混凝土钻孔灌注桩。高层区域筏板厚度：A座2米；B、C/、D座2.2米。裙房区域A座0.8米；B、C/、D座0.9米。在每座核心筒区域及个别柱下筏板加厚以满足筏板抗冲切及抗剪要求。基础设计正因为注重了减小核心筒及高层柱下受力较大区域筏板的沉降量，强化核心筒及高层柱下桩的竖向支撑刚度。弱化裙房柱下桩的竖向支撑刚度。通过多次调整桩的布置，有效地调整了基桩的竖向刚度分布，使差异沉降减到最小值。同时使基础内力和上部结构因地基不均匀沉降造成次应力显著降低。计算结果显示：核心筒区域筏板计算沉降值为137~149毫米，核心筒以外高层区域筏板计算沉降值为131~147毫米，裙房区域筏板计算沉降值为101~121毫米。可见高层区域与多层裙房区域筏板差异沉降量很小，基础沉降及整体倾斜均满足现行规范要求。

在施工过程中，施工方根据设计图指定各沉降观测点进行各阶段沉降观测。由建设单位提供中国地震局第一检测中心所作本工程基础沉降观测数据结果：结构主体施工至26层接近封顶时，各楼座累积基础最大沉降量为A座：Smax=28.13mm; B座：Smax=27.37mm

C座：Smax=26.27mm; D座：Smax=26.84mm.。

4.上部结构：

B、C、D座为大底盘、多塔楼高位转换复杂高层结构。因建筑功能需要平面布置复杂。上部住宅又设置角窗，裙房顶设置矮层设备层，以上因素给结构设计增加了难度。设计采用梁式转换结构形式，传力图径简捷。即由墙——（转换次梁）框支梁——框支柱。传力直接、明确、清楚。设计中不断优化结构布置，注重调整结构刚心与结构质心的偏心值使其满足规范要求。从而减小因结构扭转造成内力增大。尤其在设计中采取了加大角窗结构薄弱处梁的抗扭刚度，提高角窗两侧剪力墙抗震等级及通高设置约束边缘构件，加厚角窗开间楼板厚度，双层配筋，楼板中设置暗梁一系列措施。另外对于2.2米层高矮层设备层，结构分析其剪压比很难满足规范指标要求。通过数次调整墙体布置，采取措施如开结构洞使墙肢长度变小，形成高度较高墙体。絶大多数剪力墙、连梁剪压比满足规范限值。对框支梁不同工况进行高精度有限元分析，其中包括梁上布满剪力墙工况，带有门窗洞口剪力墙工况，单侧布置剪力墙工况。通过结构分析，制定采取不同构造措施。保证结构安全可靠。

三．结构关键技术和对策：

1.基础筏板厚度2.0~2.2米为大体积混凝土结构。为防止基础筏板不产生过多收缩裂缝，采取低标号C35混凝土浇筑地下结构。为减小水化热采用产生水化热较小的水泥，合理配比，按比例掺入适量粉煤灰且采用60d龄期强度，施工中加强养护，工程质量得到了保证。

2.因建筑平面布置复杂，一根框支柱有多个方向梁汇交，梁的钢筋在柱中的水平锚固不能保证。为此设计采取设置柱帽来解决梁内纵筋在柱、柱帽中锚固。使梁柱节点钢筋锚固有保证。

3.在框支柱设计满足规范要求前提下，考虑其轴压比较大，为增加框支柱延性及抗震性能，在框支柱中部设置构造芯柱。并且将框支柱纵筋延伸至上层剪力墙楼板底。

4.对于2.2米层高矮层设备层中个别剪力墙、连梁剪压比超限分别采取抗震措施，连梁中增设抗剪钢筋及暗撑。剪力墙整层内增设斜向钢筋，同时适当提高剪力墙水平抗剪钢筋，从而提高了连梁及剪力墙延性及抗震能力，避免墙体发生剪切破坏。。

5.沉降观测及后浇带处理。

施工过程中，除对本工程沉降观测外，还因工程所处地势原因，还应对周围建筑及道路进行沉降观测，在满足结构抗浮结构施工适当部位才停止降水。

沉降后浇带应在结构沉降趋于稳定时，经设计同意后，按设计要求采用高一级微膨胀混凝土浇筑。

四．总结

高层结构设计应将概念设计贯穿始终，注重选择合理结构方案、使结构布置传力简捷明确。找出结构薄弱构件和部位；同时还应注重减小基础不均匀沉降、混凝土温度收缩、结构扭转等因素造成结构次生内力。采取相应技术措施和对策。