大底盘单塔偏置建筑的结构设计探析

马智翔

哈尔滨天宸建筑设计有限公司

摘要：某地区的酒店建筑物结构方式就是采取大底盘单塔偏置框架建造的。从概念设计的角度出发，对结构具有抗震性能进行了设定。从有关实验可以得知，结构设计已经实现了预期的效果。本文对塔楼偏置使结构产生的影响进行了详细研究，裙房承担了部分的塔楼水平力；而楼偏置的情况增加了裙房的扭转效应，从而出现塔楼和裙房之间互相“牵扯”的关系。依据上述产生的不利影响提出合理化建议，为今后与之相关的塔楼偏置建筑的结构提供重要的参考依据。

关键词：塔楼偏置;竖向不规则;扭转不规则;结构设计分析

本文以某城市的酒店作为论述独享，该建筑的总体面积在285652平方米，而地下建筑的总体面积是145655平方米。其中，地下室共有3层，每一层都有着自身的用途。对于裙房来说，地上5层，总体的高度在30米，作为商场使用；塔楼地上有27层，总体高度在102.5米。由于塔楼偏置于裙房的北端，所采取的网尺寸在9m×11m范围内。裙房从1层到5层之间是商场的中庭，从第二层到第五层楼板中的洞口都处于对齐的状态；而裙房位于西南面作为商场的主要通道，该位置中从第二层到第五层楼板极其屋面板外挑7.3米的结构。

1、结构体系

本工程设计基准期为50年。结构安全等级为二级。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，地震分组为第一组。抗震设防类别：裙房部分为乙类，塔楼部分为丙类。场地类别为Ⅱ类，场地和地基稳定。结构承载力计算时，基本风压按100年重现期采用，取0.60kN/m2;在计算风荷载作用下结构水平位移时，基本风压采用50年重现期的风压，取0.50kN/m2。

1.1结构体系的确定

塔楼根据建筑平面设计及考虑结构抗侧能力，采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。剪力墙布置于中部电梯筒位置，各楼层剪力墙完整，剪力墙与框架柱通过框架梁刚接，空间作用强，为主要抗侧力构件（6层X向框架承担的地震倾覆力矩约为总倾覆力矩的45%，Y向框架承担的约为40%）。裙房部分为少墙框架体系（1层X向框架承担的地震倾覆力矩约为总倾覆力矩的72%，Y向框架承担的约为70%），框架部分按照框架结构的要求采取相应的抗震构造措施。

1.2结构抗震性能目标

本工程塔楼建筑高度99.5m，裙房建筑高度28m，高度未超过规范规定的7度区A级高度的限值（120m），但本工程存在以下超限情况：塔楼偏置，塔楼质心与大底盘质心之间的距离为大底盘相应边长的37%，大于20%的限值;塔楼偏置加剧了裙房平面的扭转不规则，扭转位移比达到了1.47;裙房平面存在凹凸不规则、楼板不连续，这些均将导致楼板面内局部应力较大;结构竖向存在外挑超过10%和4m的尺寸突变，最大悬挑达到7.2m，属于特别不规则的超限高层建筑，超限设计的难度较大。

2、弹性计算结果及分析

相关研究人员采取SATWE和MIDASBuilding的相关程序来对小震弹性反应谱进行详细的研究。通过相关实验可以得知：第一扭转周期和相应的平动周期之间所产生的比值都不大于0.90，符合相关要求。

相关结构在小震作用下所产生的比值最大范围是1/993，不大于规范限值的1/800。而最大楼层扭转位移的比值是1.47，符合相关要求；当楼层存在的最大位移角小于相关规定限值40％的情况下，所产生的最大水平位移以及有关层间位移都能够和楼层的比值允许适当的放松，然而一定要小于1.6。

依据高规规顶对小震弹性时程进行了详细的研究，所得到的结果符合高规的有关要求。经过详细的对比可知，构件内力组合采取反应谱法得到相应的计算结果。

3、关键构件中震弹性计算

根据前述性能目标，在设防地震下对结构各构件进行验算，为方便设计，高规允许采用弹性方法进行计算。运用SATWE程序对结构进行了设防地震下的弹性近似验算。

3.1关键构件中震弹性计算

承载力按不考虑抗震等级调整的设计值复核，各系数取值。计算结果显示，底部加强区的核心筒剪力墙墙体轴压比均小于0.5，各关键构件的抗弯承载力均满足弹性要求。

3.2普通构件、耗能构件中震不屈服验算

依据计算所得到的结论可知：非底部加强位置上面的核心筒剪刀墙的配筋基本都是构造配筋，截面亦或是超筋没有发生超限的现象。而经过层层的审查工作，除了个别楼层的连梁位置发生抗剪超筋以后，其他连渠等相关部位都没有发生超筋的现象。

4、结构在罕遇地震下的验算

在性能目标C的相关要求结构在较为罕在遇到的地震处于第四水准的状态下，相关人员在对抗震性能依据弹塑性计算的形式进行分析。要求全部构件所具有的受剪截面应当符合截面限制条件，避免构件出现损坏的现象。当相关人员对剪力进行验算的过程中，可以在安全地中采取弹性计算结果进行取值。

采用SATWE程序进行罕遇地震验算，构件受剪截面各系数取值见表3。计算结果显示：1）应力最大墙肢剪压比为0.076，受剪截面满足要求，内力最大连梁剪压比为0.044，受剪截面满足要求;2）经逐层复核，各层墙肢、连梁及框架梁抗剪截面均满足要求，构件在罕遇地震下不会发生脆性的剪压破坏。

5、塔楼偏置分析

塔楼偏置带来的问题：1）塔楼传递下来的水平力有较大的一部分（30%左右）通过裙房屋面楼板传递到裙房的竖向构件;2）塔楼偏置加剧了裙房在水平力作用下的扭转效应，表现为裙房扭转不规则，周边框柱的扭转位移比最大值达到1.47;3）塔楼和裙房相互“牵扯”，相互影响。

5.1塔楼偏置加剧裙房扭转不规则

裙房屋面上面所存在的塔楼结构形成的地震作用和屋面自身质量所形成的地震作用基本相同。当上面塔楼的质心以及刚心之间的距离在不小于自身质心以及刚心距离的情况下，简单的说是上面塔楼在裙房屋面紧邻的楼层里所产生的扭转效应比裙房自身所产生的扭转效应要大些。而当塔楼偏置越大的情况下，所产生的扭转效应也就越大。

5.2塔楼与裙房相互影响的分析

为了进一步掌握塔楼和裙房之间所存在的影响程度，相关研究人员建立了两个相应的模型，如图1所示。

图1两种单独结构分析模型

经过相关实验可以获得以下结论：（1）受裙房在下面5层的位置处发生“牵扯”的现象，塔楼本身所产生的扭转效应不断增加，X向位移比从1.20增加到1.27，Y向位移比从原来的1.08增加到1.11；（2）由于塔楼出现偏置的情况增加了裙房本身所产生的扭转效应，裙房X向的扭转位移比从原来的1.35增加到1.43，Y向从原来的1.32增加到1.47；（3）因为塔楼在一定程度上受到裙房“牵扯”，顶点位移X从原来的36.72mm减少到27.73mm，Y向从原来的23.29mm减少到16.20mm。塔楼以及裙房之间所存在的6层楼面是处于这两种模型之间，裙房存在的平面体块不小于塔楼，而组合模型中所得到的位移值和纯裙房所产生的位移值比较相似；（4）由于组合模型所产生的剪重应当处于纯塔楼和纯裙房模型的中间位置，符合当前规范要求。

6、超限审查意见及回复

本项目已通过超限高层建筑抗震设防专项审查，专家意见及设计回复如表1所示。

7、结语

由于本工程中具有诸多的超限项目，然而因为裙房只有5层、28米高，所产生的地震作用对裙房带来的位移现象并不是很明显，各项计算指标都处于良好的状态，结构几乎符合相应的标准要求。依据详细的计算对概念设计以及所得结果进行分析，对关键部位以及薄弱环节都做出了加强工作，从而确保结构在地震作用下实现延性的效果。

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