多塔楼结构设计概述

俞啸威

【摘要】对于带有地下室或裙房的高层建筑结构，该建筑结构是否属于复杂高层，对于结构设计的正确性及合理性非常重要。本文结合现行《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《高层建筑混凝土结构设计规程》（JGJ3-2010）规范有关规定及文献资料，对多塔结构及大底盘（地下室）的结构设计提出几点看法和建议。

【关键词】多塔结构；地下室；大底盘

引言

高层建筑是随着经济的发展和建筑用地要求应运而生的，随着经济的蓬勃发展，土地资源集约化利用日渐凸显，由于地基承载力及结构稳定等方面的原因，高层建筑均带有地下室，一层或多层；或者两栋或多栋高层建筑裙房部分因建筑功能需要而相连，因此多塔大底盘建筑结构成为了主要的建筑方向。相对而言，建筑技术在实践中更为成熟，被广泛投入建设。但对结构设计而言多塔要比单塔复杂得多，如何按照规范精神，进行多塔结构的抗震设计和计算分析，成为结构设计应当着重解决的问题。

1、 概述

进行多塔楼结构设计之前，首先要了解多塔结构的定义。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2] 2.1.15及条文说明，多塔楼结构定义为“未通过结构缝分开的裙楼上部具有两个或两个以上的塔楼结构”。首先我们应区分大底盘地下室的多塔楼结构（地面以上无大底盘）与多塔楼建筑（地面以上有大底盘）的不同。多塔楼结构设计应根据地下室及裙房的不同情况进行分析。具体分类有以下几种（图1），并对各种情况进行相应的讨论：

图1

2、多塔楼带地下室

《高层建筑混凝土结构技术规程》[2] 2.1.15条文说明对多塔楼结构的定义做出了进一步的解释：“多塔楼结构是在裙楼或大底盘上有两个或两个以上的塔楼的结构，是体型收进结构的一种常见例子。一般情况下，在地下室连为整体的多塔楼结构可不作为本规程第10.6节规定的复杂结构，但地下室顶板宜符合10.6节多塔结构设计的规定。” 根据朱炳寅在《高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析》中写道：“一般情况下，仅地下室连为整体的多塔楼结构，可不认定为《高规》第10.6节规定的复杂结构，但地下室顶板设计应考虑多塔楼结构的影响，除满足嵌固端楼板的要求外，还应符合《高规》第10.6节的相关设计规定。”由此可见，对于地下室上有两个或两个以上塔楼的结构，当地下室顶板低于室外地坪时，无论地下室顶板能否作为上部的嵌固部位，都可将各个单体分别进行计算分析及设计，不需考虑各个塔楼间相互的影响，仅需考虑各单体相关范围内的影响。但当地下室顶板不能作为嵌固部位时，规范并未有具体的规定，个人认为应区分不同情况（即地下室顶板实际存在的嵌固及地下一层的地面或以下的楼面作为嵌固两种情况）对上部结构进行包络设计。

3、多塔楼带地上裙房

多塔楼高层建筑结构的主要特点是在多栋独立高层建筑底部有一连成整体的裙房，形成大底盘。大底盘多塔楼高层结构在大底盘上一层突然收进，属于《高规》中竖向不规则结构。当大底盘上有2个或2个以上的塔楼时，结构振型复杂，并会产生复杂的扭转振动。

分析表明，多塔楼结构振型复杂，且高振型对结构内力的影响大，当各塔楼质量和刚度分布不均匀时，结构扭转振动反应大，高振型对内力的影响更为突出。因此《高规》规定多塔楼结构各塔楼的层数、平面和刚度宜接近；塔楼对底盘宜对称布置，减小塔楼和底盘的刚度偏心。

多塔楼结构属于复杂高层建筑，通过控制位移比不应大于该楼层平均值的1.4倍来限制平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。位移比控制计算应采用整体模型考虑各塔楼之间的相互影响，将各塔楼连同底盘作为一个完整的系统进行分析，各塔楼每层为一块刚性楼板，各塔楼相互独立。

多塔楼结构应将塔楼和底盘作为整体进行分析，并应采用不少于两个力学模型，对计算结果进行分析和比较。同时为了保证各塔楼结构的合理性，也应进行必要的单塔独立计算。

在多塔结构中，存在着大量的对称或近似对称振型，这就造成了较多的低阶振型的振型参与系数为零或很小的情况，并且对于刚度和质量沿竖向分布越均匀、对称的多塔结构，某些振型就越趋于对称，振型参与系数也就越小。

多塔结构在高阶振型下对地震反应的影响较大，当塔楼在大底盘平面上分布不均匀、不对称且各塔楼的高度不同，质量和刚度分布不均匀时，高振型影响将会进一步加剧，在结构计算时应选取足够多的振型数，应满足振型参与质量不小于总质量90%的要求。

在多塔结构中因塔楼之间的相互作用，在裙房楼板中奖产生较大的内力和变形。因此，裙房楼板采用无限刚性假定是不成立的，应采用弹性楼板假定。

4、结语

当今高层建筑正日益向多功能方向发展，为满足建筑体型多样性和建筑多功能要求，近年来涌现出大量体型复杂的高层建筑，其中大底盘多塔楼就是很典型的一类。对在地下室连为整体的多塔楼结构，属于一般的高层结构，塔楼对远离塔楼处影响很小，满足构造要求時，可将上部各塔楼分别进行结构计算分析。而对于多塔楼带地上裙房，多塔结构在底盘上一层的平面布置有剧烈变化。上部结构突然收进，属于竖向不规则结构；塔楼与底盘的结合部结构竖向刚度和抗力发生突变，容易形成薄弱部位；多个塔楼相互作用，使结构振型复杂，并且产生复杂的扭转振动。大量震害实例说明，塔楼与大底盘结合部位及其上、下各一层的构件在地震中破坏最严重。为此，规范对多塔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，应当从概念设计出发，重视结构薄弱部位的分析，加强抗震构造措施，其要点是：（1）多塔结构振型复杂，且高振型对结构内力的影响较大，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）塔楼对底盘宜对称布置，塔楼结构的综合质心宜接近底盘结构的质心，塔楼与底盘质心的距离不宜大于底盘相应边长的20%。（3）抗震设计时，带转换层塔楼不宜设置在底盘屋面的上层的塔楼内，否则应采取有效的抗震措施。如转换层及上、下层的抗震应提高一级采用。（4）为保证大底盘与塔楼整体工作，底盘屋面板应加厚，不宜小于150mm，楼板钢筋应双层双向布置，各层各方向最小配筋率不宜小于0.25%.屋面梁底筋、腰筋及不少于1/3的面筋通长布置。底盘屋面上、下一层的楼板也应加强构造措施。（5）多塔楼建筑结构的各塔楼的层数、平面和刚度宜接近。

参考文献：

[1]GB50011—2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]朱炳寅，高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析. 北京：中国建筑工业出版社，2012..

[5]朱炳寅，建筑结构设计问答及分析. 北京：中国建筑工业出版社，2013..

[6] 张维斌，多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例，北京：中国建筑工业出版社，2005