大底盘多塔楼高层建筑结构的设计研究

大底盘多塔楼高层建筑结构的设计研究

李锦辉

广东南海国际建筑设计有限公司528200

摘要：高层建筑可大幅提升用地使用效率，而大体量、多塔楼结构可有效提升建筑空间利用率、丰富其使用功能、提升项目经济效益，但同时，该体系的应用也给工程设计带来了一定的困难，设计者必须充分考虑到各种因素对结构的稳定作用，以保证结构安全性。

关键词：大底盘多塔楼；高层建筑；结构设计；

引言

在社会持续发展与进步的今天，我国中心城市的建设已接近饱和，各大城市都在兴建高楼，以节省土地、增加绿地面积，而高层建筑又是衡量一个地区经济发展水平的一个重要指标，大底盘多塔楼高层结构作为一种带有时代特性的结构形式，因其受力具有复杂性，且受到强震作用后破坏的严重性，对其进行抗震性能等分析是很有必要的。

1.大底盘多塔楼高层建筑结构相关概述

1.1概述

大底盘多塔楼高层建筑结构体系主要特征：在两个或两个以上的独立高层建筑底部有结构性整合连接成一个整体的大裙房，即形成了大底盘。大底盘多塔楼高层建筑结构在大底盘的层顶突然收进，属竖向不规则结构；大底盘上有两个或多个塔楼时，结构振型复杂，并会产生复杂的扭转振动，在这种情况下，若结构布置失当，将导致垂直刚度突变，从而加剧了扭振反应及高阶模态的影响，在实际工程中，一般将大底盘多塔高层建筑按两种形式分别进行设计：①大底盘结构顶层楼板可作为上部高层塔楼建筑的嵌固端，通常带地下停车场的住宅区一般都是这一类；②对于高层多塔式结构，其顶层楼面不宜用作嵌套式结构，低层平台一般用作商场、酒店等商业用房，而高层则是集写字楼、商住一体的综合体。

在工程设计过程中，很多住宅和商业建筑都是在离开了大底盘的顶层之后，在其上部设置抗震节点，从而将其分为若干塔楼；而在塔楼范围内的地下室部分则加大竖向构件的截面尺寸，并且提高了侧向刚度。但是，在一些特定的条件下，由于建筑物的立面设计、建筑功能等方面的特殊需求，使得高层多塔楼的地上部分不能设置抗震缝，即裙房部分仍为整体大底盘部分，裙房以上整个结构就根据功能要求分为多个塔楼，在此类结构体系中，裙楼顶层的横向刚度通常不会比相邻的上部塔楼楼层大很多，因此大底盘结构的顶层楼板不宜作为上部多塔结构的嵌固端，属于复杂的高层建筑结构，在设计时必须仔细分析。

1.2塔楼

(1)塔材：塔材一般所用的建筑材料通常与常规结构所用建筑材料相同。

(2)塔型：塔型式：其上部结构形式与一般单体结构形式一致；根据其结构型式，可划分为框架塔、框架剪力墙塔、框架芯筒塔、板柱剪力墙塔、板柱剪切墙塔、管中筒柱塔等。

(3)塔数：在早期，大部分的高层房屋都是单体结构。后来由于土地资源的日益紧张，以及对建筑空间的高效使用要求，双塔或多塔结构逐渐成为一种普遍现象，而整个结构体系的塔数也不断增多。

(4)塔的对称性：按其对称程度，可将其划分为对称与不对称两类，在此基础上，又将其划分为双轴对称体系与单轴对称体系，对于对称的体系，要求其布局、刚度、重量等都要保持相对平衡。

2.多塔结构设计中存在的问题

多塔结构无法准确计算出每座塔的周期和振型，因此整体周期比没有实际参考意义，也无法反映各塔的扭转效应。

大底盘处的楼板结构处于水平拉伸和压缩弯曲的复杂受力状态，因此多塔大底盘结构顶层楼板及上下两层的概念设计对于确保该部分的结构安全至关重要。

随着距离地面高度的增加，加速度响应逐渐增加。当使用反应谱法进行计算时，要适当放大顶层的地震效应。

3.大底盘多塔楼高层建筑结构设计方法分析

由于大底盘多塔楼高层建筑与其他普通高层建筑相比，施工技术要求严格，工作量大，工期长，建筑结构、建筑的整体长度和宽度的不对称性，在整体建筑设计中存在显著的设计困难，设计师在进行结构设计时需要准确把握概念设计的区域，通过准确设计加强关键区域来确保建筑设计的质量。

3.1解决基础不均匀沉降的问题

就大底盘多塔楼高层建筑的特点而言，要大规模统一地质条件，确保相应的承重层满足使用要求，显然是不现实的，因此，采用有效的设计方法，控制荷载分布，确保地震及沉降缝的有效施工成为关键，这不仅满足了相应建筑功能环境下的整体结构稳定性要求，也促进了高层建筑施工技术的简化，为相对独立的结构整体提供了相对完整的空间。

其次，建议在设计中使用两种或两种以上的计算方法来计算两者之间的沉降和沉降差，然后，设计师将根据计算出的沉降差来决定是“放”还是“抗”。“放”即在各塔与大底盘交界处设置沉降灌注区，并对两段沉降进行监测，待两段沉降趋于稳定或差值与计算值相符后，封闭浇筑区，此类方案仅在塔与大框架的交界处增加了少量的筋材，但其最大的缺陷是难以达到较好的沉降效果。由于工程建设周期较长，工程建设难度较大，因此，施工单位对此类方案的接受程度较低；所谓“抗”，是指不设置沉降后浇带，而是根据计算出的沉降差，在塔与大底盘之间相邻构件的设计中，除了满足强度计算所需的钢筋外，还必须注意增加由沉降差异引起的构件内部额外附加的弯矩和剪力所需的钢筋，同时，还须考虑其对相邻部位以外的部件的不利影响，这种方法施工周期快，大型底盘可以整体完全施工，但往往是结构成本相对较高。

3.2嵌固端的选择与相关措施

在设计高层建筑结构时，设计师需要对整体结构进行准确的计算和分析，以确保建筑结构的嵌入固定端部能够有效地确保高层建筑的稳定性，相关设计规范还要求，在选择嵌入固定端时，可以选择建筑物的地下室顶层楼板作为建筑物的上部整体嵌入固定端，在设计时，还需要确保高层建筑的横向刚度大于相邻结构的刚度，以确保建筑的稳定性，在设计过程中，要根据建筑物所在地的情况选择地震效应参数，可以使用现浇结构来保持混凝土顶板的结构强度，并且应尽可能避免地下室顶层楼板上的开口，如果无法避免开口，则要加固开口周围区域，以确保水平地震的顺利传递，在设计钢筋时，要确保建筑物各层的配筋率控制在合理范围内，并可设计双层双向配筋方式，以提高建筑物的稳定性能，采用地下室顶层楼板作为建筑物上部结构的嵌入固定端的设计，需要充分考虑地下室顶层楼板的刚度，同时也要严格控制建筑物的横向刚度。

3.3结构设计与施工

结构构件内力计算、裂缝控制、结构用钢量设计、特殊部位附加钢筋的设置均应符合相关技术规定；底板应一次性浇筑，基坑区域内地下水位降至底板下500mm，在浇筑过程中，应设置后浇带，顶板和侧墙可不连续设置，侧墙后浇带两侧的距离一般在30m左右，后浇带的间距在50~60m之间；在墙体与柱子连接部位插入长度1500-2000毫米，直径8-10的加强钢筋。楼板宜采用细而密的构造钢筋网，钢筋间距宜小于150mm，配筋率宜为0.6%左右；现浇补偿收缩钢筋混凝土防水顶板应配置双层钢筋网，构造钢筋间距小于150mm，配筋率宜大于0.5%。

3.4合理且全面的抗震设计方法

大底盘多塔楼的高层建筑因其结构形式复杂、稳定性较差，因此在设计中应充分考虑其地震作用，对于大底盘多塔楼的超高层建筑，目前主要采用振型分解反应谱与动力时程分析两种方法进行研究。详细情况如下：

（1）振型分解反应谱法

在常规的单层串联刚性平板体系中，在刚度、质量均布的情况下，其模态参与系数随模态阶的增大而快速下降，即高阶振型对结构的影响要比低阶振型小得多，通常在计算地震作用时，采取前面几种就能达到较高的精度，但是，在多塔式结构中，该定律已经不再适用，有些低阶模态的相关系数很少，有些高阶模态的相关系数却很高，这直接影响到多塔体在地震作用下的振型选取。

（2）动力时程分析法

高层建筑结构的弹塑性时程分析，因其屈服模式及劣化规律较为复杂，目前尚无成熟的方法，在实际工程中，结构的地震反应时程分析已被普遍采用，针对多塔体系等复杂结构，在递进式集成中存在大量自由度和多次迭代等问题，采用空间模型进行集成计算时，计算量比较大，目前，国际上仅有几种通用的计算软件，大多是以平面块体单元为基础，在有限元框架下建立分层模型，分层模型具有较低的阶次，因而计算量较小，每一步都在快速地计算着。在弹性阶段，可以使用基于此模式拆解的时程分析方法，对于多塔结构，由于存在大量参与系数很小的低阶模态，在使用该分析方法时，应选择足够的模态进行分析。

3.5做好质量检测工作

设计师在选择建筑材料时，需要对适合大底盘多塔楼高层建筑的建筑材料有一个清晰的认识，虽然一些建筑材料的各项指标可以有效满足建筑工程的施工需求，但不能有效满足大底盘多塔楼高层建筑相关的施工需求，因此，设计师在进行选择之前，需要对所选材料进行准确的把控，以确保它们能够有效地满足工程建设的需要，在设计方案中，要明确高层建筑施工材料进场的质量监督工作，严格禁止不符合相关标准和质量的建筑材料进入施工现场。大底盘多塔楼高层建筑施工所用混凝土必须达到C30或以上，同时，要建立严格的水泥质量监督，以有效地规范水泥的用量和品种，确保混凝土具有良好的力学性能。

结束语

总体而言，大底盘多塔楼高层建筑结构的设计需要科学的分析。在现代建筑工程中，任何新兴的建筑结构都需要相关设计师根据现有的设计及施工经验进行科学研究，并通过不断学习，确保正确的设计思想能够有效地应用于实际设计工作中，确保大底盘多塔楼高层建筑设计的科学合理性，从而提高建筑的整体安全质量，确保设计的安全性和经济性。

参考文献

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