浅析非对称双塔结构的抗震设计

浅析非对称双塔结构的抗震设计

黄月妮

巴马丹拿建筑设计咨询上海有限公司武汉分公司430010

摘要：近年来，在高层建筑工程项目施工中，双塔结构得到了非常广泛的应用。但是由于其自身施工上具有的特殊性质，与常规结构类型相比，在地震防御效果的设计方面也具有很大的差异。本文结合某工程项目施工的实际情况，对非对称双塔结构的抗震设计进行了分析阐述，对提高建筑工程施工质量，有效地增强抵御地震侵害的能力，具有一定的参考价值。

关键词：双塔结构；非对称；抗震能力；设计分析

1高层建筑结构实例

某栋高层建筑工程项目，建筑面积为260000平方米，涵盖了居民住宅、写字楼、商业区、娱乐健身中心等功能，其中包括地下1层、地上裙房结构3层，地上结构有10栋塔式建筑，主要是居民住宅和写字楼等，地下结构和裙房主要是商业区、车库和娱乐健身中心等附属设施。A3和C3是地下结构和裙房整体连接的，只有裙房上面的建筑结构是全部分开的，其余的单体结构只有地下建筑互相连通，地下结构往上也是全部分开。地下结构的顶盖是上面建筑工程结构的嵌固部位。因此为了增强地下结构对地震灾害的抵御性能，A3和C3是按照双塔结构设计施工，其余的建筑结构是单独设计的抗震性能。现只针对A3和C3地下建筑非对称双塔结构的抗震设计进行分析。A3是32层，地面上部高度是106米，C3是24层，地面上部高度是83米，都是按照墙体抗震剪力进行设计。

2非对称双塔结构抗震设计有关数据分析

依据建筑工程抵御地震灾害性能设计标准的相关规定，该高层建筑项目抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值0.1g，设计地震分组第一组，场地类型是Ⅱ类，抗震等级2级。

按照抗震设计要求，上述这种相对比较复杂的高层建筑工程项目，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010规范中第5.1.14条要求，宜按整体模型和各塔楼分开的模型分别计算，并采用较不利的结果进行结构设计。当塔楼周边的裙楼超过两跨时，分塔楼模型宜至少附带两跨的裙楼结构。本项目通过PKPM和Etabs程序进行弹性和弹塑性时程分析。

2.1非对称双塔结构自振周期的分析

由于非对称双塔结构与常规的高层建筑相比，在受力程度和分析测算上具有一定的复杂性，按上述要求通过整体和分塔这两种方法来进行测算，本文运用分塔的方式对A3和C3工程的自振周期进行测算（测算结果详见图1、图2）。其中A3工程的第一自振周期系数是2.304秒和2.117秒，而C3工程的第一自振周期系数是1.914秒和1.735秒，二者的系数都比较接近。扭转周期和平动周期的比值都是小于0.9，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010规范中第3.4.5条要求。

2.2非对称双塔结构位移系数的分析

在对非对称双塔结构进行抗震位移系数进行计算的时候，要结合每个塔楼的互相作用充分考虑，假设嵌固层（首层楼板满足嵌固层要求）以下不会发生任何位移。嵌固层以上双塔联动，通过双塔模型和分塔楼模型分别对位移系数进行分析、测算。当非对称双塔结构受到地震作用及风作用时，每个楼层之间的位移系数和高度比值，就可以测算出来（测算结果详见图3、图4）。由图可以分析出，每个塔楼楼层的横向位移曲线是弯曲状连续平整的，符合施工设计标准的规定。

按照上述两种方法的分析、测算，可以看出，非对称双塔结构的整体抗震性能和坚固程度非常好，各项系数指标也完全符合施工设计标准的规定。

3非对称双塔结构抗震性能的设计方法

虽然在非对称双塔结构抗震设计中，符合了规范标准的要求，不过基于地震灾害发生的不可预见性和在数值测算上的近似取值，所以还应当在以下方面进一步强化双塔结构高层建筑的抗震性能设计。

一是需要确保双塔结构的底座和塔楼的总体效果，裙房楼板要有180毫米厚，并且需要配置足够的钢筋材料，使板面承受弯矩性能的钢筋与之连通，而且裙房上下结构的楼板也要做坚固处理。同时需要增强每个塔楼中间的裙房顶部的连接梁的坚固性能，塔楼和裙房贯通的外侧支撑柱和墙肢结构，从嵌固的部位一直到裙房的顶部，这部分高度也要进行适当的加固处理。裙房顶部上下结构支撑柱的钢筋需要全部增加密度，边缘结构要进行抗震的剪力结构设计，以增加墙体的坚固性能。

二是本文中的高层建筑工程鉴于设计布局和立面结构的制约，非对称双塔结构的平面格局客观上具有一定程度的偏心，塔楼和底座的质量中心间距同底座的边际长度相比，高达了20%，造成了平面结构的整体抵御扭转的能力通常不是很好。所以对其进行设计的时候，一般主要是通过可以直接反馈出楼面坚固程度的弹性模型来分析、测算，假定裙房上部的楼面隔板是具有良好弹性的结构，结合每个塔楼所引发的各种因素，来实际测算出楼板的应力系数，以使在模型假设过程中可能造成的误差率最大限度地减少，同时对钢筋进行设计的时候，也要结合楼板内部实际能够承受的应力，适当增多钢筋配置比例，降低扭转可能造成的不良影响，增加建筑结构的抗震性能。

三是由于塔楼建筑带有底座系统，所以底座的抗震性能设计也非常重要，一旦底座的坚固程度、施工高度和应力承受能力不是很科学，就会对非对称双塔结构，甚至整个高层建筑工程的抗震能力带来一定的风险隐患。所以，在对底座进行设计施工的时候，一定要确保其具有很大的坚固强度，但同时又不能太高，而且要使得底座对外力的承重能力得到明显的增强，防止出现顶层严重形变影响建筑结构的延性标准。非对称双塔结构中，每个塔楼的自振效果是经由底座之间的耦联效应产生的，所以在进行分析、测算的时候，通常是把非对称双塔结构按照单体塔楼连同底座的建筑工程来进行考虑，这样就很容易造成低塔的对应能力人为增大，而高塔的反应能力人为缩小。所以，考虑到非对称双塔结构的复杂的建筑特征，对其进行抗震设计的时候，要充分注意耦联扭动和自振周期的双重影响，既要对底座进行加固处理，又要切实考虑到底座抗震剪力的问题，增加底座对外来应力的承受能力，以使底座的结构形变得到减小，并满足建筑结构的延性需要，防止底座在地震灾害侵袭中变成最薄弱环节。

4结束语

通过以上对非对称双塔结构抗震性能的分析和测算，可以得出结论，本文所举的高层建筑工程实例，在内向应力和形状改变等系数指标方面，完全符合建筑工程对地震灾害防范设计标准的有关规定，但同时也需要做进一步的完善提高：

一是非对称双塔结构之间的楼层数量不是相同的前提下，一旦遭受地震灾害的有效，建筑结构的反应能力大小不一，而且具有很大的复杂性，所以改善双塔结构的抗震性能设计具有一定的难度，其中的规律性还要做深入的分析、研究。

二是在地震剪力的横向影响下，由于非对称双塔结构本身具有的不对称性能，其带来的损害程度相比于塔楼和底座的偏心变化，要更为严重，特别是底座上部的地震剪力应力会更大，也更影响机制工程的抗震效果，所以在设计施工的时候，要充分考虑这种情况，尽最大程度防止高塔和低塔设计差别太大的问题。

三是对于这种带有大底座的非对称双塔结构，在进行抗震设计的时候，一定要结合建筑结构的施工特点和力学原理，对每个塔楼自振和互振多带来的扭转周期以及平动周期进行科学地分析、测算，防止地震剪力的破坏作用，尤其要注意对裙房上部楼板的严重破坏，防止行政双塔塔楼发生严重的形变，给高层建筑带来安全隐患。

参考文献：

[1]徐东强、马文亭、郑荣政.非对称双塔连体结构的地震反应分析[J].天津城市建设校园学报.2012（4）：16-17.

[2]郭涛、宋娟、姚激、魏业清.非对称大底盘双塔连体结构的动力特性和地震响应分析[J].西北地震学报.2009（3）：25-29.