多塔复杂高层结构设计

摘要：随着现今建筑设计水平日益提高，为满足建筑体型多样化和建筑多功能要求，越来越多样式的大底盘多塔高层结构在各地房屋建设中出现。但是其结构振型复杂，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，因此其振动特性、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。本文即详细阐述了多塔复杂高层结构抗震设计要点和设计中的其他关键问题。

关键词：多塔；复杂高层；结构设计；抗震；嵌固端

一、多塔大底盘结构分类及抗震设计要点

（一）多塔大底盘结构分类

多塔大底盘结构大致可以分为三类：

1、一般多塔结构，在多栋多高层建筑的底部有一个连成整体的大裙房（含

地下室）形成大底盘。这类多塔结构在住宅小区和商住综合楼建设中应用十分普遍，是本文探讨的重点。

2、带缝多塔结构，由于设计需要，建筑结构被伸缩缝、抗震缝和沉降缝等分成若干部分。

3、复杂多塔结构，它是在多塔结构上增加了其它复杂结构，如带转换层、带加强层、连体、错层等。

（二）多塔复杂高层的抗震设计要点

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连成整体的大裙房（含地下室）形成大底盘，而在大底盘上一层结构会突然收进，属于竖向不规则结构；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或是竖向刚度突变，会使扭转振动反应及高振型影响加剧；塔楼与底盘的结合部结构竖向刚度和抗力容易发生突变，将形成薄弱部位。因此规范对该结构提出了比较详细的抗震措施要求。在多塔结构抗震设计中，应从概念设计出发，重视结构薄弱部位的分析，加强抗震构造措施：

1、塔楼结构振型复杂，且高振型对结构内力影响较大，当各塔楼质量和刚度分布不均匀时结构扭转振动反应较大。因此各塔楼的楼层数、平面布局、竖向刚度及结构类型宜接近。

2、抗震设计时，与主楼相连的裙房抗震等级除符合自身设计要求外，不应低于主楼的抗震等级。

3、为了保证大底盘与塔楼整体工作，底盘屋面板应加厚，不宜小于160mm，板面负弯矩钢筋宜贯通并应加强配筋构造措施；底盘屋面上下一层的楼板也应加强构造措施。

4、结构转换层宜设置在底盘楼层范围内，不宜设置在底盘以上的塔楼内，以避免高位转换形式的结构薄弱部位。

5、多塔结构的基础设计，可通过计算确定是否需要设置沉降缝和后浇带，或采取变刚度调平技术，使主楼与裙房的地基基础有不同的竖向承载力，以减小差异沉降及其影响。

二、多塔复杂高层结构的计算问题

（一）多塔大底盘结构的计算分析

多塔结构属于复杂高层结构，它的受力特点和计算分析比一般的高层建筑要复杂，必须注意到其计算分析的特殊性，不能简单采用普通多高层结构的分析方法。

多塔之间各地震周期的互相干扰，是否需要分开计算。一段时间以来，大底盘多塔楼的高层建筑类型大量涌现，而在计算分析该类型高层建筑时，是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算，还是将结构人为地分开进行计算，是结构工程师必须注意的问题。如果多塔间刚度相差较大，就有可能出现即使振型参与系数满足要求，但是对某一座塔楼的地震力计算误差仍然有可能较大，从而使结构出现不安全的隐患。

（二）计算程序及模型注意事项

1、多塔结构必须在“多塔结构补充定义”菜单中执行“多塔定义”命令，在提示区输入各塔楼的起始层号、终止层号和塔数，然后用闭合折线围区方式依次指定各塔的范围。

2、多塔定义时，要特别注意三条原则：任意一个节点必须位于某一围区内，每一个节点只能位于一个围区内，每个围区至少有一个节点。

3、带缝多塔结构的缝隙通常很窄，缝隙面不是迎风面，缝隙两边墙的风荷载很小或没有，因此该类结构还应执行“遮档定义”命令。

4、多塔结构的各个塔楼可以有不同的楼层高度，不同的构件抗震等级，不同的砼标号和钢构件的钢号。这些可以在“特殊构件补充定义”和“多塔立面”中分别设定。

5、为了提高多塔结构的建模效率，PKPM 软件提供了“工程拼装”命令，可以将分别建立好的多个单塔楼模型直接拼接到一个大底盘模型上，并且保留各塔楼己经布置的荷载，使多人协同设计成为可能。

6、多塔结构参数设置时，结构体系应设定为“复杂高层结构”，计算振型数的取值不应小于塔楼数的9倍，并使平动及扭转振型的有效质量都不小于90%。当扭转不大时，扭转振型可不满足90%，但应设置全楼地震放大系数。

三、多塔复杂高层结构设计的关键问题

（一）嵌固端的选择

高层建筑在结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端所在位置。当结构刚度较大，地下室层数较少时，对嵌固端以上部分进行单独的结构分析，除周期以外的结构控制指标以及相应地上部分的受力分析结果和实际情况差别并不大。而在多层地下室情况下，若忽略地下室影响单独取各塔结构分析，其计算结果和配筋数据是偏于不安全的，则要以整体模型为工程设计依据。

对于地下室层数较少的情况，最好的办法是使各单体在地下室顶面嵌固，避免成为多塔复杂结构。

《高层建筑混凝土结构技术规程》中关于嵌固端的要求：高层建筑结构计算中，当地下室顶板作为上部结构嵌固时，地下室的楼层侧向刚度不应小于相邻结构楼层侧向刚度的2倍。《建筑结构抗震规范》要求：地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应避免在地下室顶板开洞口，并应采用现浇结构，其楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋；且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。由规范可知：将地下室顶板作为上部结构的嵌固部位需要考虑两个方面的问题，一是地下室与地上1层的侧向刚度比要求，另一方面是地下室顶板的刚性要求。

一般情况下，这些控制条件较容易满足。当地下室不能满足嵌固部位的楼层侧向刚度比规定时，可通过增大竖向构件的截面和增加构件的数量来加大地下室楼层的侧向刚度。如主楼范围以内的侧向刚度无法满足时，把地下室向两个水平方向分别取地下室一层层高的2倍作为计算地下室刚度的有效范围是可行的，引起的误差处于工程允许的范围内。一般情况下，可近似地计入沿主楼周边外扩一跨，或45°线延伸至底板范围内的竖向构件的抗侧刚度。

（二）地基基础设计的差异沉降控制

在高层建筑、地基与基础的相互作用下，由于基础对高层建筑荷载的扩散作用，存在一个以塔楼为中心的“共同作用有效范围”。以各塔楼下面一定范围的区域为沉降中心，基础沉降变形各自沿径向向外衰减，并在共同的影响范围内相互叠加；地基反力也是以各塔楼下面某一区域为中心，通过塔楼的裙房基础沿径向向外扩散，并在共同的荷载扩散范围内相互叠加。

当需要减薄裙房筏板厚度以节省材料时，或者设置后浇带以调节基础筏板变形时，变截面位置或后浇带位置应设在“有效共同作用范围”外，通常将该范围界定在主楼沿周边扩一跨外。

大底盘多塔楼结构由于高层主楼与裙房或地下车库的基础连接成整体时，相互间的差异沉降是关系到结构安全的关键性问题。《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：高层建筑的基础和与其相连的裙房基础，当不设沉降缝时，应采取有效措施减少差异沉降及其影响。

针对工程具体情况，如高层主楼和裙房或地下车库基础均采用桩基时，则按照变形调整原则或承载力计算确定各自桩的直径、长度和数量，通过调整尽量使主楼和裙房的沉降一致，减小其差异沉降值；如高层主楼采用桩基，裙房或地下车库可采取满堂基础的天然地基，使其与主楼沉降值接近。

参考文献：

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