丁钢成，古宝铖

（佛山市岭南建筑设计咨询有限公司 广东 佛山 528200）

1 项目概况

某大底盘双塔项目位于佛山市南海区平洲南港大街，包括1 座塔楼45 层、2 座塔楼44 层、商业裙房4 层和地下室2 层，地上建筑功能主要为产业用房及相关配套，地下建筑功能为车库和机房［1］。地上建筑面积146 829 m2，1 座和2 座均采用剪力墙结构体系，房屋高度为190.5 m，如图1所示。本文主要介绍大底盘双塔的结构设计方法。

本项目结构设计使用年限50年，结构安全等级为一级，抗震设防烈度为7 度。由于塔楼经常使用人数超过8 000 人，按乙类的要求进行抗震设防，即地震作用按7度、抗震措施按8度确定［2］。

2 结构体系

如图2 所示，根据项目所在地的抗震设防烈度和基本风压、建筑高度、主要用途等因素，两栋塔楼采用钢筋混凝土剪力墙结构，为了配合底部楼层的建筑功能要求，在2层和3层进行局部框支剪力墙转换，由于框支剪力墙的面积占剪力墙总面积的比例不大于10%，根据《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ 15-92—2013》［3］第11.2.1 条及条文说明，可不划为带转换层结构。塔楼建筑平面尺寸约为30.1 m×53.8 m，高宽比约为6。裙楼采用框架结构，在5层（裙楼顶层）部分框架梁跨度达25.2 m。为避免影响建筑的使用及削弱结构的整体性，5层裙房与塔楼之间不设结构缝，通过设置后浇带、由中心向两侧浇筑混凝土、裙房及地下室的板筋双层双向拉通等措施加强。地下室顶板采用钢筋混凝土梁板结构，负1 层与首层的侧向刚度比大于2，因此选择地下室顶板作为嵌固端。

图2 结构平面布置Fig.2 Framing Plan

剪力墙自基础面往上从750～900 mm 厚逐步减薄至250～400 mm 厚，混凝土强度等级从C60 逐步降低至C35。在2层，墙厚750 mm的剪力墙通过净跨8.5 m、截面为2.2 m×2.2 m 的转换梁和截面为2.2 m×1.2 m 的转换柱进行转换；在3 层，墙厚600 mm 的剪力墙通过净跨9.4 m、截面为3.0 m×2.0 m的转换梁和截面为3.0 m×1.2 m 的转换柱进行转换。如图3 所示，为提高延性、避免发生剪切、轴压等脆性破坏，上述转换梁和转换柱均为型钢混凝土构件。转换梁周围楼板加厚至180 mm，有利于被转换墙体的水平剪力有效地通过楼盖传递给周围的抗侧构件；为保证转换柱的承载力和刚度由上至下不发生突变，柱内的型钢延伸至基础内。由于转换梁竖向变形的原因，在被转换剪力墙的底部，竖向荷载工况下的水平剪力较大。为了控制剪压比，一般需要额外加大转换梁以上若干层的剪力墙厚度［4-5］。常磊等人［6］提出正交双截面设计法，按墙模式和梁模式分别设计框支墙，并在顶底配置钢骨暗梁。参考上述方法，在转换梁以上两层采用带边框的钢板剪力墙，钢板厚12 mm，有效地减薄了墙厚。

图3 框支转换构件大样Fig.3 Details of Structural Transfer Members （mm）

3 结构超限情况及抗震性能目标

3.1 超限情况

本项目超限情况［7］为：①高度超限，房屋高度为190.5 m，超过B 级最大适用高度（150 m）约27%；②楼板不连续，裙房二层楼板大开洞，有效宽度小于50%；③尺寸突变，大底盘对称双塔收进尺寸大于25%；④局部不规则，如局部框支转换、穿层柱。

3.2 抗震性能目标

结构抗震性能目标取C 级，结构的性能水准分别为1（小震）、3（中震）、4（大震），构件设计要求如表1所示。在小震或风荷载作用下，要求结构的最大层间位移角不超过1/800；在大震作用下，要求结构的最大层间位移角不超过1/120。

表1 构件设计要求Tab.1 Design Requirements of Members

4 弹性与等效弹性分析

4.1 小震与风荷载弹性分析

采用SATWE 及YJK 进行小震和风荷载作用下的弹性分析。由于本项目为大底盘双塔结构，根据文献［3］第5.1.14 条和第10.6.3 条，采用多塔模型和分塔楼模型分别进行验算；1 座塔楼和2 座塔楼平面对称，房屋高度一致，仅楼层数和层高有微小差异，因此选用层数较多、重力荷载较大的1 座塔楼模型与多塔模型进行对比。

小震反应谱采用规范谱，水平地震影响系数最大值为0.08（阻尼比为5%），设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅱ类，特征周期为0.35 s。底部加强部位（负1 层～6 层）的剪力墙及连梁、转换柱、转换梁和裙房框架的抗震等级均为特一级；其他部位的剪力墙及连梁抗震等级为一级。

根据《建筑结构荷载规范：广东省标准DBJ 15-101—2014》［8］，本项目高度小于200 m，且体型规则，无需进行风洞试验，风荷载体型系数取1.40；由于双塔之间最近的水平距离仅为20 m，存在风力相互干扰，因此考虑不小于1.0的相互干扰系数；南海区的基本风压为0.50 kPa，地面粗糙度为B 类，考虑顺风向和横风向风振，并在承载力设计时考虑1.1 的风荷载效应放大系数。

结构整体计算结果如表2 所示，可知结构整体指标均满足文献［3］要求。SATWE 和YJK 多塔模型的计算结果较吻合；在小震作用下SATWE 单塔模型的楼层剪力略大于多塔模型，施工图设计时采用多模型包络设计。

表2 结构整体计算结果Tab.2 Calculation Results of Structure

SATWE 多塔模型计算的最大层间位移角曲线如图4所示。各工况的最大层间位移角为1/995，说明结构具备足够的侧向刚度，满足文献［3］的要求。在转换层（2 层、3 层），最大层间位移角曲线没有明显的突变，说明局部框支转换对结构侧向刚度的影响很小。在风荷载作用下，1 座塔楼和2 座塔楼各层的最大层间位移角较接近，说明1 座塔楼和2 座塔楼的侧向刚度相近，层数和层高的差异影响较小；在小震作用下，由于1 座塔楼的重力荷载代表值比2 座塔楼大，导致1 座塔楼的地震力也比2 座塔楼大，而两者的侧向刚度相近，因而1座塔楼的层间位移角比2座塔楼的大。

图4 最大层间位移角曲线Fig.4 Max Story Drift Curve

4.2 中大震等效弹性分析

采用SATWE 进行等效弹性分析，底部加强部位剪力墙除了应满足中震抗弯不屈服、抗剪弹性和大震不屈服以外，还需有效控制名义拉应力。由表3 可知，在中震作用下，首层个别剪力墙承受轴向拉力，其中最大的名义拉应力为2.06 MPa，小于ftk。这部分剪力墙均为角部L形剪力墙的墙垛，作为约束边缘构件进行设计时，纵筋配筋率提高至1.5%，有效控制钢筋应力水平，同时加大体积配箍率，增加这部分墙垛的延性。转换构件在等效弹性计算中考虑竖向地震作用的影响，满足中震抗弯不屈服、抗剪弹性和大震不屈服。

表3 剪力墙名义拉应力验算Tab.3 Nominal Tensile Stress Checking of Shear Wall

5 大震弹塑性时程分析

塔楼结构大震弹塑性时程分析采用STRAT 程序［9-10］，计算嵌固端取地下室顶板。STRAT对杆单元的截面进行划分，形成混凝土、钢筋和钢材的纤维束；纤维沿梁柱构件的纵向可不受积分点限制进行任意细分。将墙单元平面二维细分为混凝土纤维、分布筋纤维和主筋纤维，每个纤维块内应力是均匀的，根据变形协调的原则，同一位置的3种纤维应变相同，应力各自根据基本材料的非线性本构关系确定。

通过小震弹性时程分析选取2 组天然波和1 组人工波，如表4 所示，3 组地震波时程分析的底部剪力平均值为29 832 kN 和33 505 kN，约为振型分解反应谱法底部剪力的85%和96%，满足文献［3］关于地震波选取的要求。

表4 小震弹性时程分析计算结果Tab.4 Calculation Results of Time History Analysis under Frequent Earthquake

分别按X向、Y向为主方向进行双向弹塑性时程分析，并以结果最大值进行结构抗震性能评估。如表5 所示，大震弹塑性时程分析得到X向和Y向的最大层间位移角位于31 层，分别为1/196、1/149，均小于1/120的限值，满足大震不倒的要求。结构在天然波1作用下最终的损坏程度如图5 所示：首层个别剪力墙处于轻度损坏，转换框架均处于完好状态，各层存在部分框架梁处于轻微～轻度损坏，中部和底部楼层存在部分连梁处于中度损坏。5层楼板在大震作用下的钢筋应力如图6 所示，均小于楼板钢筋的屈服强度标准值。

图5 结构在大震作用下的损坏程度Fig.5 Damage of Structure under Rare Earthquake

图6 5层楼板在大震作用下钢筋应力云图Fig.6 Rebar Stress Nephogram of 5th Floor Slab of Podium under Rare Earthquake

表5 大震作用下最大层间位移角Tab.5 Max Story Drift under Rare Earthquake

6 裙房楼板专项分析

由于裙房长边尺寸接近120 m、2～4 层楼板均存在不同程度的开洞、2 层和3 层为转换层、5 层为尺寸收进楼层且存在大跨度楼盖，水平力在楼板中的传递路径复杂、温度效应的影响显著，有必要对2～5 层的楼板进行专项分析和构造性加强。

2层、5层楼板加厚至150 mm，3层、4层楼板加厚至120 mm，2层和3层转换梁附近的楼板加厚至180 mm。2 层楼板在各工况下的应力云图如图7 所示，楼板压应力均小于混凝土轴心抗压强度设计值，根据大部分区域的拉应力双层双向配置10@150 的通长钢筋；在建筑边角部、洞口边缘、塔楼核心筒角部存在应力集中现象，局部附加10@150承担拉应力。

图7 2层楼板应力云图Fig.7 Slab Stress Nephogram of 2F

7 结论

本项目采用多塔和分塔模型进行结构分析，整体计算结果表明：结构具有良好的刚度，在转换层、收进层不存在突变；地震作用和风荷载产生的最大层间位移角较接近；由于多塔和分塔模型的计算结果存在一定差异，施工图设计时采用多模型包络。高度超B 级最大适用高度，框支墙在竖向荷载下的剪力占比大，采用正交双截面设计法进行补充复核，转换层上两层采用带边框的钢板剪力墙，有效减小墙厚。裙房楼板长达120 m，且存在局部框支转换、开大洞等情况，水平力在楼板中的传递路径复杂，本文进行了地震作用和温度效应下的楼板应力分析，根据各区域楼板的实际需要适当加大板厚、双层双向配置楼板钢筋，并通过设置后浇带、优化混凝土浇筑顺序等措施减小裙房楼板超长、塔楼与裙房存在沉降差等问题。大震作用下的最大层间位移角小于1/120，各类构件均达到预设的性能目标，结构满足“大震不倒”的要求。