胡洪波，李 紅

（江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330000）

引言

現(xiàn)階段建筑施工中，大底盤多塔建筑結(jié)構(gòu)多數(shù)為上下聯(lián)合式建筑，一般由1 個(gè)大裙房承載著諸多建筑。從整體設(shè)計(jì)情況來看，這類建筑主要是豎向結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)存在著不規(guī)則性的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，從大底盤的上部第一層收緊，底盤上部出現(xiàn)兩個(gè)以上塔樓時(shí)，結(jié)構(gòu)振型將會(huì)變得十分復(fù)雜，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的情況[1]。因此，有必要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)布置予以規(guī)范，避免豎向剛度出現(xiàn)變化。

1 結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)條件分析

1.1 結(jié)構(gòu)布置

建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用了50 a 的使用年限，安全等級(jí)是2 級(jí)。裙房結(jié)構(gòu)的平面設(shè)計(jì)中，長度為154 m，寬81 m，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，為滿足具體商用功能，2-6 層平面有多個(gè)尺寸為15～25 m 范圍內(nèi)的開洞。多數(shù)框架都使用了梁板式結(jié)構(gòu)，對(duì)于少部分跨度比較大的區(qū)域，使用了1 300 mm 梁高的混凝土結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)荷載的有效傳遞[2]。裙房結(jié)構(gòu)的左下角位置處于4-6 層，此處需要甚至能夠跨層的懸挑桁架，底部會(huì)有鋼骨吊柱，該結(jié)構(gòu)需要承擔(dān)樓面荷載，圖1 為大底盤多塔式建筑結(jié)構(gòu)示例。

圖1 大底盤多塔式建筑結(jié)構(gòu)示例

住宅塔樓結(jié)構(gòu)的平面尺寸中，長和寬分別為44 m 和26 m，在多塔式結(jié)構(gòu)的5 層樓頂部設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)換層，下部框架結(jié)構(gòu)和剪力墻之間產(chǎn)生框架剪力墻的主體結(jié)構(gòu)。

1.2 風(fēng)荷載計(jì)算參數(shù)

項(xiàng)目中50 a 的重現(xiàn)期風(fēng)壓值大約在0.5 kN/m2，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平位移計(jì)算與驗(yàn)證的時(shí)候，風(fēng)荷載需要按照風(fēng)壓來取值，其中風(fēng)荷載的體系系數(shù)為1.4。計(jì)算承載力的時(shí)候，一般會(huì)依據(jù)風(fēng)壓1.1 倍進(jìn)行取值，風(fēng)荷載下的阻尼比取值0.05。

1.3 地震荷載計(jì)算參數(shù)

按照建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的相應(yīng)規(guī)范，聯(lián)合地勘報(bào)告，本項(xiàng)目的抗震設(shè)防烈度確定為7 度，基本地震加速度設(shè)計(jì)為0.1 g。表1 為地震作用下的各項(xiàng)參數(shù)取值情況。

表1 地震作用下的各項(xiàng)參數(shù)取值

2 大底盤多塔建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 加強(qiáng)隔震層設(shè)計(jì)

通常情況下，大底盤多塔式建筑結(jié)構(gòu)常常被用于高層或者超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，底盤上的每個(gè)塔樓都有著獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，且變形程度與塔樓大底盤連接剛度有關(guān)[3]。以某項(xiàng)目為例，該多塔式結(jié)構(gòu)建筑占地面積和建筑面積分別為1.73 萬m2和13 萬m2，屬于商業(yè)與住宅用地，共有5 層裙房。此外，還有兩棟層數(shù)為38層的住宅，高度達(dá)到了120.55 m；一棟層數(shù)為6 層的辦公樓，高度達(dá)到了67.4 m。從建筑的功能考慮，該多塔式建筑沒有設(shè)置結(jié)構(gòu)豐富，各個(gè)塔樓在裙房的作用下連接為一個(gè)整體，最終形成了大底盤多塔式結(jié)構(gòu)，地下共有3 層，人防區(qū)域處于地下二層。

采用能量法對(duì)隔震層加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過最優(yōu)屈服力校驗(yàn)分析得出最佳設(shè)計(jì)方案?；诘卣鹱饔谜莆战ㄖY(jié)構(gòu)當(dāng)中的強(qiáng)度與剛度的實(shí)際分布，從中發(fā)現(xiàn)三者之間沒有直接聯(lián)系，那么可能會(huì)與結(jié)構(gòu)基本周期有所關(guān)聯(lián)。明確隔震層的剪力響應(yīng)和屈服力之間的關(guān)系，相應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)公式如下所示：

式中：α1指的是建筑結(jié)構(gòu)隔震層的整體剪力系數(shù)；αs指的是鉛芯阻尼下的結(jié)構(gòu)基底建立系數(shù)，也就是隔震層屈服力和重量之間的比值；α0是隔震支座結(jié)構(gòu)基底剪力系數(shù)；VE為地震輸入總能量等效速度；T 是支座水平剛度下的基本周期；α 是阻尼器效果系數(shù)；g 指的是重力加速度。以上公式的應(yīng)用與計(jì)算可確定支座大小，計(jì)算當(dāng)前建筑隔震層的最優(yōu)阻尼情況，假設(shè)采用了22 萬t 無鉛芯阻尼模型，計(jì)算后得知支座基底剪力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為0.110 4，所以平均每1 萬t 的隔震層最優(yōu)屈服力計(jì)算結(jié)果是2 760 kN。

對(duì)建筑隔震層展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，表2 為隔震支座的參數(shù)情況，其中阻尼的部分屈服力計(jì)算后結(jié)果是91 028 kN，為了盡可能的降低隔震層的位移，燮制建筑結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)變形，在隔震層處設(shè)置150 t 阻尼器，其阻尼系數(shù)最高可達(dá)到1 500 kN/（m/s）。所有隔震支座中，型號(hào)為LRB900 的支座用量最多，需要131 個(gè)；型號(hào)為LRB1200 的支座用量最少，只需46 個(gè)。隔震層設(shè)計(jì)期間，燮制支座長期面壓不能超過12 MPa。

表2 隔震支座參數(shù)情況

2.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

底部裙房可考慮進(jìn)行非隔震模型設(shè)計(jì)，如果裙房剛度較小，可直接簡化模型，對(duì)于塔樓裙房上部結(jié)構(gòu)，建議采用“輸入頂樓面譜”的設(shè)計(jì)方式。經(jīng)過隔震設(shè)計(jì)后，上部結(jié)構(gòu)屬于平動(dòng)形式，建議接下來對(duì)第一代樓面譜計(jì)算方法加以簡化，通過地面反應(yīng)譜進(jìn)行樓面反應(yīng)譜的預(yù)估分析。下列公式就是樓面譜地震影響系數(shù)的最大值公式：

式中：αmax和αmax樓面分別指的是規(guī)范反應(yīng)譜內(nèi)與針對(duì)樓面譜的地震影響系數(shù)的最大值；PGA樓面和PGA基底分別指的是樓面加速度反應(yīng)峰值與輸入地震波的峰值加速度情況。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算地震影響系數(shù)，最終完成對(duì)上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目的地塊四周近年來沒有產(chǎn)生過地質(zhì)災(zāi)害問題，且構(gòu)造斷裂現(xiàn)象不明顯，地基結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，上層為素填土和粉土，下層為粉砂質(zhì)泥巖，地基與樁基礎(chǔ)等級(jí)均屬于甲級(jí)。結(jié)合地勘報(bào)告與周圍情況，本項(xiàng)目決定使用灌注樁基礎(chǔ)，混凝土采用C35 的強(qiáng)度等級(jí)，塔樓和裙房結(jié)構(gòu)的抗壓使用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，其中以中風(fēng)化泥巖為持力層，鉆孔灌注樁的樁徑最大1 600 m，樁端需要進(jìn)入持力層6 m 以上，但不會(huì)超過18 m。單個(gè)樁體的抗壓承載力最小4 300 kN，最大17 000 kN，由樁身燮責(zé)燮制承載力。地下燮采取柱下抗壓與抗拔相結(jié)合的灌注樁，其中樁徑最大1 000 mm，樁端大約有6 m 需要進(jìn)入持力層，樁的抗壓承載力方面，最小可以達(dá)到4 300 kN，最大可以達(dá)到6 700 kN。

2.4 大底盤多塔計(jì)算

建筑中，多塔式結(jié)構(gòu)的底盤上層結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生突然縮進(jìn)，這與結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則有關(guān)，在塔樓與底盤的結(jié)合區(qū)域出現(xiàn)了豎向結(jié)構(gòu)剛度突變，進(jìn)而產(chǎn)生了薄弱部位。塔樓之間形成相互作用，導(dǎo)致最終塔樓結(jié)構(gòu)的振型頗為復(fù)雜，這是造成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的主要原因之一，一旦結(jié)構(gòu)布置不合理，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題將會(huì)加劇[4]。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究得知，塔樓和大底盤之間的結(jié)合位置，與上下一層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的破壞，為確保多塔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，有必要對(duì)大底盤結(jié)構(gòu)展開專項(xiàng)分析，經(jīng)過多塔計(jì)算，得知多塔與單塔模型振型大致相同，且平動(dòng)周期比較接近，多塔的逆轉(zhuǎn)周期稍大，可見各塔樓之間存在著相互作用，大底盤可以向平動(dòng)提供側(cè)向剛度，同時(shí)剛度的分散會(huì)加劇扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在建筑施工設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合多塔與單塔模型情況，以此為參考依據(jù)。由于建筑中每個(gè)單塔核心筒會(huì)遇到偏置的問題，因此有必要在端部設(shè)置剛度較大的跨層BRB，改善建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度部分情況，圖2為BRB 的平面布置情況，表3 為BRB 的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖2 BRB 平面布置

表3 跨層BRB 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.5 型鋼混凝土梁剪扭分析

裙房處使用了型鋼混凝土梁結(jié)構(gòu)，對(duì)于特殊位置出現(xiàn)了彎剪扭等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，使用ABAQUS 軟件完成有限元計(jì)算，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能加以評(píng)估。設(shè)計(jì)師根據(jù)計(jì)算結(jié)果知道施工圖配筋設(shè)計(jì)，提取YJK 結(jié)果的彎矩、剪力以及扭矩信息，將其融入模型設(shè)計(jì)中[5]。箍筋與腹板的應(yīng)力應(yīng)達(dá)到200 MPa 以內(nèi)，確保梁結(jié)構(gòu)的扭矩能夠時(shí)刻保持著彈性的狀態(tài)；抗彎鋼筋應(yīng)達(dá)到400 MPa，剪力達(dá)到700 kN 之后，混凝土將會(huì)進(jìn)入塑性階段，這說明混凝土結(jié)構(gòu)受拉開裂，在這之后一直到施加荷載，梁的剛度都不會(huì)產(chǎn)生顯著的下降趨勢，所以說明界面抗剪抗扭能夠保持著彈性的狀態(tài)，也能達(dá)到多塔式建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)論

總而言之，本研究在研究過程當(dāng)中，以大底盤多塔式結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，對(duì)該建筑結(jié)構(gòu)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)體系與布置情況入手，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與安全性。綜合風(fēng)荷載與地震設(shè)計(jì)參數(shù)情況，完成隔震層設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，再經(jīng)過大底盤多塔計(jì)算和型鋼混凝土梁剪扭分析，最大程度上保障多塔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，確保大底盤與裙房、塔樓等部分的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，延長建筑使用壽命，提高建筑使用價(jià)值。