劉維蕓

上海市嘉定區(qū)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站 上海 201822

1 多塔圍洞體系

大底盤多塔高層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以其優(yōu)越的建筑功能，在國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)已被廣泛采用。對(duì)于此類新型的建筑體系，我國目前規(guī)范對(duì)其抗震性能分析并無明確規(guī)定。而許多存在地下室下沉廣場(chǎng)、采光天窗等設(shè)計(jì)的“多塔圍洞”結(jié)構(gòu)，其自身更容易有結(jié)構(gòu)不規(guī)則性和底層嵌固薄弱性并存現(xiàn)象，導(dǎo)致我們對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震反應(yīng)、高位轉(zhuǎn)換應(yīng)力、裙房樓板應(yīng)力等需進(jìn)行深入的計(jì)算分析，以滿足抗震要求[1-5]。

1.1 大底盤開洞頂板嵌固技術(shù)條件

大開洞對(duì)地震下結(jié)構(gòu)與頂板協(xié)調(diào)作用影響顯著，結(jié)構(gòu)周期和側(cè)移的變化結(jié)果是抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。滿足頂板剛性假定、頂板傳遞合理的水平力是大底盤作為嵌固端的首要技術(shù)條件。開洞地下室作為大底盤，其內(nèi)力分析較為復(fù)雜。由于開洞造成的頂板剛度局部減弱，可以通過采取加大配筋、提高混凝土強(qiáng)度、增厚頂板等方式給予加強(qiáng)。值得注意的是，開洞位置并非一定是應(yīng)力最大處，平面轉(zhuǎn)角等應(yīng)力集中處同樣值得注意。在條件允許的情況下，也可以下一層不開洞頂板作為嵌固端設(shè)計(jì)。

1.2 多塔圍洞建筑結(jié)構(gòu)分析

多塔結(jié)構(gòu)為達(dá)到其底部大空間的目的，需對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。梁式轉(zhuǎn)換受力分析明確，在工程中較為常用，但容易發(fā)生較大的扭曲現(xiàn)象，且不宜進(jìn)行設(shè)備開洞。桁架轉(zhuǎn)換可以有效降低自重，結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)設(shè)計(jì)要求較高，且對(duì)施工要求極高；因其扭轉(zhuǎn)能力較弱，故在實(shí)際設(shè)計(jì)中并不常用。厚板轉(zhuǎn)化剛度大，但同時(shí)存在造價(jià)高、自重大等弊端，對(duì)抗震設(shè)計(jì)不利，在高烈度設(shè)防地區(qū)應(yīng)用有限。多塔圍洞上部結(jié)構(gòu)不能以設(shè)抗震縫形式進(jìn)行簡(jiǎn)化，裙房成為極為重要的結(jié)構(gòu)部分。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某項(xiàng)目由6棟超高層（23～33層）、局部4層的整體地下室及小區(qū)配套組成。地下1層和2層為商業(yè)建筑，層高5.2 m，地下3層和局部地下4層為停車庫和設(shè)備用房，層高3.2 m。其中主樓范圍設(shè)層高2.8 m的地下1夾層，整體地下室設(shè)層高1.2 m的地下2夾層。建筑在主樓投影范圍以外的地下室中布置上空的人工河和下沉廣場(chǎng)（圖1）。15#樓的1～9層定義為雙塔結(jié)構(gòu)，9層以上定義為單塔。圖2是Midas軟件的三維整體計(jì)算模型，其對(duì)轉(zhuǎn)換厚板和轉(zhuǎn)換拱等進(jìn)行了真實(shí)的模擬。

圖1 多塔圍洞結(jié)構(gòu)布置模型

圖2 15#三維整體計(jì)算模型

2.2 自震特性及控制指標(biāo)

表1給出了15#樓前3個(gè)振型的自振特性參數(shù)，表中數(shù)據(jù)顯示該樓自振特性良好，振型清晰，扭轉(zhuǎn)為第三振型，T扭/T1為0.66＜0.85，符合我國現(xiàn)行規(guī)范的要求。

表1 15#樓自振特性

用SATWE軟件對(duì)15#樓進(jìn)行抗震分析，框支柱抗震等級(jí)為特一級(jí)，軸壓比限值≤0.6。采用復(fù)合箍及鋼筋芯柱后，軸壓比可提高0.15，軸壓比限值可為0.75，滿足要求。

2.3 多塔抗震分析

為考察頂板開洞、四周地基土約束的整體地下室對(duì)上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，本文進(jìn)行了多塔分析。不計(jì)上部結(jié)構(gòu)首層樓板與地下室頂板之間1.5 m錯(cuò)層的影響，取消15#樓9層以下的雙塔定義，上部結(jié)構(gòu)樓板采用剛性樓板（非強(qiáng)制性）假定，計(jì)入四周土體對(duì)地下室外墻的約束，地基土的基床系數(shù)取100 000 kN/m3。

地下室頂板分別采用剛性板和彈性板假定時(shí)，分析結(jié)果表明，由于地下室參與整體分析，結(jié)構(gòu)之間的相互作用使相同上部結(jié)構(gòu)的自振周期產(chǎn)生了一些變異。但是本工程地下室有足夠的側(cè)向剛度，頂板有足夠的厚度和平面內(nèi)剛度，這樣一個(gè)帶約束大底盤的多塔模型，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)特性并不能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的改變，三者仍相當(dāng)接近。由于洞口、河道兩側(cè)和高層建筑周圍的樓板得到了適當(dāng)加強(qiáng)，故即使是橫跨人工河的橋面板（薄弱連接板），也未發(fā)生局部振動(dòng)。只要將樓板配置足夠的鋼筋，在中震作用下保持彈性狀態(tài)，保證水平力的傳遞，即可將上部結(jié)構(gòu)嵌固在地下室頂板且能滿足規(guī)范要求。通過上述連體、分體模型包絡(luò)設(shè)計(jì)，抗震性能已滿足設(shè)計(jì)要求，多塔結(jié)構(gòu)均勻布置，可確保結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、抗扭轉(zhuǎn)剛度互相協(xié)調(diào)。加強(qiáng)洞口邊、樓板開洞部位鋼筋布設(shè)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗裂、抗震有積極影響。

2.4 轉(zhuǎn)換構(gòu)件分析

15#樓采用拱式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換構(gòu)件由轉(zhuǎn)換厚板、轉(zhuǎn)換拱肩、拱圈及框支柱四部分組成。其中板厚1.0 m，拱肩厚1.0 m，采用殼單元模擬。拱圈斷面尺寸2.0 m×1.2 m，框支柱斷面尺寸2.0 m×1.2 m，采用桿單元模擬。轉(zhuǎn)換構(gòu)件參與整體抗震分析，圖3給出了轉(zhuǎn)換層的局部放大模型。

圖3 拱式轉(zhuǎn)換層局部模型

1）對(duì)構(gòu)件撓度的分析。板的最大彈性撓度為10 mm。厚板的最大彎矩發(fā)生在最大撓度鄰近區(qū)域，且起控制作用的是豎向荷載。因轉(zhuǎn)換厚板跨度較小，轉(zhuǎn)換的形式為板與拱肩共同托墻，沖切剪應(yīng)力的數(shù)量級(jí)很小，對(duì)板的設(shè)計(jì)起不到控制作用，因此，可略去剪應(yīng)力的組合。

2）對(duì)拱圈在重力荷載代表值作用下和地震作用下的軸力和彎矩的分析。中震組合后，拱圈縱向鋼筋為56根，直徑28 mm，全截面配筋率1.4%。中震時(shí)，處于彈性狀態(tài)。

3）對(duì)拱肩應(yīng)力的分析。拱肩在重力荷載代表值作用下中曲面上的應(yīng)力分布云圖顯示，下邊緣混凝土處于受拉狀態(tài)，與拱圈接觸的附近，局部發(fā)生應(yīng)力集中，普遍處于受壓狀態(tài)，且應(yīng)力水平不高，約為3 MPa。

4）對(duì)框支柱應(yīng)力的分析。重力荷載代表值作用下的最大水平變形僅2 mm，可見轉(zhuǎn)換層兩側(cè)的剪力墻和框支柱有足夠的側(cè)向剛度承受拱向外的水平推力?？蛑еv向鋼筋為24根，直徑28 mm，全截面配筋率0.6%，中震時(shí)處于彈性狀態(tài)。

3 施工關(guān)鍵措施

1）設(shè)計(jì)以地下室開洞頂板作為嵌固端，除應(yīng)滿足上海市DG J08-9—2013《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》外，還應(yīng)對(duì)高大于600 mm的錯(cuò)層處樓面梁采取梁端加腋措施。將錯(cuò)層處箍筋全面加密，地下室箍筋亦全高加密。

2）將結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)從三級(jí)提高到二級(jí)。原本抗震等級(jí)已經(jīng)是二級(jí)及以上的部分，進(jìn)一步加強(qiáng)延性。主樓首層樓板的梁，在與地下室墻體連接的一側(cè)，作加腋加強(qiáng)，首層樓板厚度不小于180 mm。下沉式廣場(chǎng)周圍、河道兩側(cè)和跨河橋面板按中震彈性設(shè)計(jì)，層間位移角應(yīng)當(dāng)控制在不大于 1/9 999。

3）當(dāng)軸壓比大于0.70但不大于0.75時(shí)，在截面中部設(shè)附加芯柱。轉(zhuǎn)換層厚板雙層雙向配筋，每層每方向配筋φ16 mm@150 mm。剪力墻兩邊各1 000 mm范圍內(nèi)集中配筋，增設(shè)暗梁。嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換層上下剛度比，盡量減少上部剪力墻的布置，加厚落地剪力墻?？刂妻D(zhuǎn)換層上下剛度比不小于0.70，當(dāng)小于0.70但不小于0.60時(shí)，乘1.15薄弱層剪力增大系數(shù)。樓板厚度不小于120 mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.4%。小墻肢和短肢剪力墻的配筋率和配箍率按抗震等級(jí)提高一級(jí)執(zhí)行。

4 結(jié)語

1）將地下室頂板作為抗震設(shè)計(jì)嵌固端切實(shí)可行。當(dāng)?shù)叵率翼敯彘_大洞時(shí)，需要采取加強(qiáng)措施，限制頂板的變形，加強(qiáng)頂板的配筋，作中震彈性設(shè)計(jì)。

2）15#樓轉(zhuǎn)換層有限元分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)高位轉(zhuǎn)換拱圈、拱肩、厚板的空間轉(zhuǎn)換形式，其力學(xué)性能優(yōu)于梁擱梁的平面轉(zhuǎn)換形式。