1、多塔與連體高層結(jié)構(gòu) 設(shè)計與施工,湖南大學 沈蒲生,1,一、基本知識,1、多塔結(jié)構(gòu),在一個不設(shè)永久性變形縫的底盤上，設(shè)置兩個或兩個以上塔樓的結(jié)構(gòu)，稱為多塔結(jié)構(gòu)。因此，多塔結(jié)構(gòu)的組成為： 一個大底盤； 兩個或兩個以上的塔樓。,（1）多塔結(jié)構(gòu)的組成,2,紐約世界貿(mào)易中心大樓,3,薩拉熱窩多功能摩天樓,深圳國企大廈,4,迪拜風中燭焰,（2）多塔結(jié)構(gòu)的分類 按塔樓數(shù)量分類： 可分為雙塔、三塔、四塔等。 其中以雙塔結(jié)構(gòu)使用最多。 按結(jié)構(gòu)布置分類： 雙軸對稱多塔結(jié)構(gòu)； 單軸對稱多塔結(jié)構(gòu)； 不對稱多塔結(jié)構(gòu)。,5,6,雙軸對稱 單軸對稱 不對稱,（3）工程應用 紐約世界貿(mào)易中心，110層，417m，雙塔。 大連

2、期貨大廈，53層，241m，雙塔。 廈門東方時代廣場，32層，99.9m，3塔。 杭州國際時代廣場，30層，156.2m，4塔。 深圳福田商城，39層，139m，5塔。 更多實例見表1-1。,7,（4）受力特點 在荷載和地震作用下，任何一部分的內(nèi)力和變形都與其它部分有關(guān)。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形取決于下列因素： 塔樓的結(jié)構(gòu)形式； 塔樓的對稱性； 塔樓剛度與底盤剛度之比； 塔樓的間距。,8,2、連體結(jié)構(gòu),（1）連體結(jié)構(gòu)的組成, 兩個或兩個以上的塔樓； 一個或一個以上的連接體。 連體結(jié)構(gòu)可以有底盤，也可以沒有底盤。,9,吉隆坡彼得納斯大廈,10,廈門東方時代廣場,湖南省廣播電視中心,11,中央電視臺新樓,

3、北京當代MOMA工程,12,（2）連體結(jié)構(gòu)的分類 按塔樓數(shù)量分類： 可分為雙塔連體、三塔連體、四塔連體 等。其中以雙塔連體結(jié)構(gòu)使用最多。 按結(jié)構(gòu)布置分類： 雙軸對稱多塔結(jié)構(gòu)； 單軸對稱多塔結(jié)構(gòu)； 不對稱多塔結(jié)構(gòu)。,13,（3）工程應用 吉隆坡雙子塔，88層，452m，最高連體。 中央電視臺新樓，51層，234m，斜塔懸連。 北京當代MOMA工程，21層，66m，9塔連體。 杭州市民中心大廈，26層，110m，6塔連體。 青島海爾時空飛碟，100m，主塔傾斜80度。 更多工程實例見表1-2。,14,（4）受力特點 比連體結(jié)構(gòu)更加復雜。影響因素有： 塔樓的結(jié)構(gòu)形式； 塔樓的對稱性； 塔樓的間距；

4、連接體的數(shù)量、剛度和位置； 連接體與塔樓的連接方式； 有底盤時，底盤層數(shù)、高度及樓面剛度； 豎向地震作用及風荷載的影響等。,15,二、多塔高層結(jié)構(gòu)的動力特性 及地震響應分析,1、分析模型,16,串并聯(lián)質(zhì)點系層模型,串并聯(lián)質(zhì)點系層模型,17,考慮底盤變形的串 并聯(lián)剛片系層模型,分段連續(xù)化串并聯(lián)組模型,此外，還有應用最為廣泛的三維空間動力分析模型。,2、振動方程 對于多自由度體系，無阻尼自由振動方程的基本形式為：,18,3、雙軸對稱雙塔結(jié)構(gòu) 特點： 有五種基本振型。,19,對稱雙塔結(jié)構(gòu)的五種基本振型,在水平地震作用下，三種基本振型xL-xL、L-L、yL- 的振型參與系數(shù)為零，即對內(nèi)力和位移沒有影

5、響。 與單塔結(jié)構(gòu)的受力性能相近。 以上結(jié)論對對稱多塔結(jié)構(gòu)具有適應性。,20,例1 與單塔結(jié)構(gòu)比較例題,21,平面圖,底盤平面長115.2 m，寬57.6m。 塔樓平面軸線長28.8m，寬28.8m。,22,正立面圖,總共30層，裙房5層。設(shè)防烈度為7度，阻尼比0.05，二類場地土。其它條件見例33。,23,單塔結(jié)構(gòu)平面圖與立面圖,（1）振型比較,24,單塔結(jié)構(gòu)前12階振型,雙軸對稱雙塔結(jié)構(gòu)前12階振型,（2）周期比較,25,（3）內(nèi)力比較,26,單塔結(jié)構(gòu)各樓層地震力,對稱雙塔結(jié)構(gòu)各樓層地震力,27,單塔各樓層剪力,對稱雙塔各樓層剪力,單塔各樓層彎矩,對稱雙塔各樓層彎矩,（4）位移比較,28,單

6、塔各樓層位移,對稱雙塔各樓層彎矩,通過上述比較可見，雙軸對稱雙塔結(jié)構(gòu)的受力性能與相應的單塔結(jié)構(gòu)相似。,例2影響因素分析例題。 （1）塔樓間距影響,29,計算了以下四種情況：,30,由表可見，塔樓間距對結(jié)構(gòu)受力性能影響很小。,（2）底盤高度影響,31,對自振周期的影響,對頂層地震反應力的影響,32,對底盤頂層地震力的影響,對底盤底層剪力的影響,33,對塔樓頂部位移的影響,對最大層間位移的影響,上述比較表明，底盤高度對結(jié)構(gòu)受力性能有較大影響。,（3）底盤剛度影響,34,為了考查底盤剛度對結(jié)構(gòu)性能的影響，在底盤中增加少量的剪力墻，結(jié)果如下表。,由表可見，底盤剛度對結(jié)構(gòu)性能有較大影響。,4、不對稱雙塔

7、結(jié)構(gòu) 例3 左、右塔樓高度不等時的算例。,35,立面圖,左塔逐漸由30層降至15層，右塔逐漸由0層增加至15層，每次變化一層。其它情況見例3-6。,36,左、右塔樓高度不同時 底盤頂層地震力的變化,左、右塔樓高度不同時 底盤底部剪力的變化,（水平坐標表示右塔樓高度與左塔摟高度之比。）,三、連體高層結(jié)構(gòu)的動力特性 及地震響應分析,1、分析模型,37,串并聯(lián)質(zhì)點系層模型,38,串并聯(lián)剛片系層模型,39,考慮底盤和連接體變形的串并聯(lián)剛片系層模型,40,質(zhì)量集中于節(jié)點系模型,41,分段連續(xù)化的串聯(lián)模型,2、振動方程 對于多自由度體系，無阻尼自由振動方程的基本形式為：,42,3、雙軸對稱連體結(jié)構(gòu) 例4與

8、單塔結(jié)構(gòu)比較算例。,43,44,（1）位移比較,45,地震作用下x方向最大位移,地震作用下y方向最大位移,（2）內(nèi)力比較,46,地震作用下樓層剪力,地震作用下樓層彎矩,（3）振型比較,47,單塔結(jié)構(gòu)振型,雙軸對稱雙塔結(jié)構(gòu)振型,（4）周期和振型方向比較,48,單塔結(jié)構(gòu)周期和振型,雙向?qū)ΨQ雙塔連體結(jié)構(gòu)周期和振型,由上表可見，雙向?qū)ΨQ雙塔連體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應增大。,3、非對稱連體結(jié)構(gòu),49,例5 非對稱雙塔連體結(jié)構(gòu)性能算例。,左塔樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，右塔樓為純框架結(jié)構(gòu)，30層，頂部采用桁架做連接體。其它條件見例4-5。,50,地震作用下x方向最大位移,地震作用下y方向最大位移,51,地震作用下樓層剪

9、力,地震作用下樓層彎矩,52,剛度對稱雙塔振型,剛度不對稱雙塔振型,四、連接體及其對結(jié)構(gòu)性能的 影響,1、連接體的分類,53,（1）按連接體的結(jié)構(gòu)形式分類,普通桁架式連接體,空腹桁架式連接體,旋臂式連接體,吊梁、托梁式連接體,（2）按連接體與塔樓的連接方式分類 連接體與塔樓必須具有可靠連接。,54,55,剛性連接,鉸接連接,56,滑動連接限位裝置,57,橡膠墊支座,帶阻尼器的橡膠墊支座,（3）按連接體與塔樓的相對剛度分類 可分為：強連接；弱連接。 （4）按連接體的跨度分類 可分為：大跨度連接體；小跨度連接體。 （5）按連接體的位置分類 可分為：高位連接；中位連接；低位連 接。,58,2、連接體

10、位置對結(jié)構(gòu)受力性能的影響,59,例6 連接體位置對結(jié)構(gòu)受理力性能影響例題。 某塔樓左塔45層，右塔30層，底盤4層。連接體按下列四種情況布置： 情況1：連接體布置在矮塔1/4處（第9、10層）； 情況2：連接體布置在矮塔1/2處（第16、17層）； 情況3：連接體布置在矮塔3/4處（第23、24層）； 情況4：連接體布置在矮塔頂部（第29、30層）。,60,前18階周期,（1）周期、振型對比,61,連接體位置對周期的影響,連接體位置對Tt/T1的影響,62,63,64,（2）位移比較,65,66,（3）內(nèi)力比較,3、連接體數(shù)量對結(jié)構(gòu)受力性能的影響,67,正立面圖,例7 連接體數(shù)量影響例題。 左

11、塔45層，右塔30層，裙房4層。連接體情況如下： 情況1：無連接體。 情況2：矮塔頂設(shè)一道。 情況3：矮塔頂、1/2處，共兩道。 情況4：矮塔頂、3/4、1/2處， 共三道。 情況5：矮塔頂、3/4、1/2、1/4處， 共四道。 其它條件見例5-17。,68,各算例前18階周期,（1）周期對比,69,X方向最大位移,Y方向最大位移,（2）位移對比,70,X方向?qū)娱g最大位移角,y方向?qū)娱g最大位移角,71,X方向樓層最大剪力,y方向樓層最大剪力,（3）內(nèi)力對比,72,樓層扭矩,塔頂扭轉(zhuǎn)角,4、連接體與塔樓連接方式對結(jié)構(gòu)受力性能的影響,73,塔樓平面,裙房平面,例8 連接體與塔樓連接方式比較例題5

12、。 對稱雙塔結(jié)構(gòu)，28層，裙房5層，三種連接方式： （1）兩端剛接。 （2）兩端鉸接。 （3）左端鉸接，右端剛接。 其它條件見例5-19。,74,五、工程實例,實例1 長沙市S住宅小區(qū)大底盤6塔高層結(jié)構(gòu)設(shè)計復核,塔樓平面布置及墻柱平面布置示意,75,1、 概述,原設(shè)計的主要問題： （1）高寬比超限，未設(shè)地下室， 基礎(chǔ)埋 設(shè)深度不符合要求，結(jié)構(gòu)在大震下 是否會發(fā)生傾覆和失穩(wěn)？ （2）按單塔結(jié)構(gòu)計算，與按多塔計算差別 有多大？ （3）只用一個軟件計算，不符合規(guī)范要求。,76,2、對原初步設(shè)計計算復核,表1.1 塔W8-1按Midas與Satwe計算的周期對比分析,77,續(xù) 前 表,78,表1.6

13、單塔Midas與Satwe結(jié)構(gòu)總質(zhì)量對比分析,79,表1.7 單塔Midas與Satwe風荷載下底部剪力對比分析,80,表1.8 單塔Midas與Satwe地震下底部剪力對比分析,81,表1.9 單塔Midas與Satwe頂點位移對比分析,82,表1.10 單塔Midas與Satwe層間位移角對比分析,83,由表1可見：,（1）按SATWE的計算結(jié)果與按MIDAS的計算結(jié)果相近，證明兩個程序計算的結(jié)果均可信。其中，按SATWE計算的各振型的周期比按MIDAS計算的略長，變形略大，扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)略晚，頂點位移偏小，底部剪力偏小。按MIDAS計算時，,塔樓W8-6的第2振型便為扭轉(zhuǎn)振型。,（2）塔樓

14、W8-6有33層，寬度較小，高寬比大，在風荷載的作用下，橫向的整體剛度較弱，抗扭剛度也較弱，宜采取加強措施。,84,3、用MIDAS軟件按單塔與按多塔 計算結(jié)果的比較,我們采用MIDAS軟件不但進行了各塔樓的單塔分析，而且進行了多塔分析。按單塔與按多塔地震作用下的分析結(jié)果對 比見表2.2。,85,表2.2 單塔與整體地震剪力對比分析,86,表2.3 按單塔與按多塔第2層地震彎矩對比分析,87,表2.4 按單塔與按多塔地震下頂點位移對比分析,88,按多塔結(jié)構(gòu)計算時的整體周期結(jié)果,89,第1振型 Y向平動 第2振型 Y向平動,第3振型 X向平動 第4振型 扭轉(zhuǎn),90,第5振型 X向平動 第6振型

15、X向平動,第7振型 X向平動 第8振型 Y向平動,91,第9振型 Y向平動 第10振型 Y向平動,第11振型 X向平動 第12振型 X向平動,92,由表2可見：,（1）按整體分析的底盤底部和第2層底部的地震剪力比按單塔分析的略大。,（2）從結(jié)構(gòu)Z向扭轉(zhuǎn)因子看出整體分析第一扭轉(zhuǎn)主振型的出現(xiàn)比單塔計算時要滯后，但第1振型下塔樓W8-6的變形較大。第2振型下塔樓W8-3的變形較大。第4振型為扭轉(zhuǎn)振型， 塔樓W8-6的反應很大。,（3）按整體分析時，塔樓W8-2沿X方向、塔樓W8-3與W8-5沿Y方向的最大層間位移角較大，宜采取措施加強。,93,4、關(guān)于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題,本工程各塔樓的高寬比很大，需對

16、穩(wěn)定性進行復核。高規(guī)中有關(guān)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是通過剛重比控制。對于剪力墻結(jié)構(gòu)，當剛重比小于1.4時，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；當剛重比為1.42.7時，要考慮二階效應；當剛重比大于2.7時，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。原設(shè)計采用SATWE程序計算得到各塔的剛重比均在4以上，表明結(jié)構(gòu)不會喪失穩(wěn)定。我們采用MIDAS軟件計算的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性如表3。由表3 可見，各塔樓均穩(wěn)定。,94,- W8-6#塔SHEAR WALL STRUCTURE STABILITY CHECK RESULT * Unit : m,kN * EJd : Lateral Stiffness of Structure * H : Height of Structure *

17、 SigGi : Summation of (1.2*Dead Load + 1.4*Live Load) from base to roof story * P-Delta Check : if (EJd = 2.7*H2*SigGi) then (Not Required) * Structure Check : if (EJd = 1.4*H2*SigGi) then (Stable) - - - - - - - -,表3 塔樓W8-6穩(wěn)定計算結(jié)果,95,5、關(guān)于結(jié)構(gòu)的抗傾覆問題,本工程的基礎(chǔ)埋置深度很淺，只有1.2m1.8m，需對抗傾覆問題進行復核。我國結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的原則是“小震不裂，

18、中震可修，大震不倒”。我們對各塔在大震下的抗傾覆問題進行了 計算。,96,各塔樓抗傾覆驗算結(jié)果,由上面的計算可見，塔樓W8-1A、W8-1B、W8-2和W8-6 四個塔樓在罕遇地震（即大震）下存在抗傾覆問題，不安全，需要采取適當措施。,97,6、關(guān)于樁的抗剪與樁頂水平變形問題,表4 風荷載和地震荷載作用下各塔樓樁的平均剪力 單位：kN,98,根據(jù)單樁水平靜載報告，其水平極限承載力為250kN，位移10mm對應的荷載為190kN。據(jù)此類推，水平剪力為38.33kN時的水平位移為2mm左右，因此，本樁在水平荷載下的承載力和水平位移均可靠。,99,7、幾點建議,（1）各塔樓的剛度，特別是塔樓W8-6的剛度偏弱，可通過加長剪力墻或加厚剪力墻等措施加強。,