摘 要 中华商务广场是一栋大底盘双塔楼高位连体的复杂高层建筑。在结构分析中，采用了两个力学模型以上的结构计算软件分析，分别计算分析了单塔结构、大底盘双塔结构和大底盘双塔连体结构等模型，对连接体进行单独计算，周期位移及各项指标满足规范要求，对结构薄弱部位进行了结构构造加强。
关键词 大底盘双塔连体；抗震设计；复杂高层建筑；计算振型
图1 建筑实景图
1 工程概况
中华商务广场位于石家庄市中山西路，是集商业、办公、餐饮、娱乐为一体的综合性商业办公建筑，总建筑面积8万m2。由两栋对称高档写字楼和商业裙房连为整体。建筑主楼地上25层，大屋面高度为99.5m，总高度为104.0m，裙房地上5层，高度25.95m。建筑地下3层为设备用房和汽车库，地面以下和地面建筑物最大轴线尺寸均为75.9m×39.8m，地下负2层按六级人防设计。首层为门厅及商业用房，2～5层为餐饮、商业用房，裙房屋顶设有屋顶花园酒吧等休闲设施。6～25层为办公会议用房，连体层为20～25层，连体跨度25.2m，建筑实景图见图1，北立面图见图2，剖面图见图3，建筑平面图见图4。
图2 北立面图
图3 剖面图
图4 建筑平面图
2 地基基础设计
2.1 工程地质概况
根据本工程地质工程勘察报告提供的场地土层分布情况，按照地层时代、成因类型、岩性特征和物理力学性质，建筑场地土层自上而下依次划分为9个土层，见表1。
表1 土层分布和岩性特征
2.2 地基基础设计
根据地质报告及地下室实际埋深，基础持力层为第④层粉质黏土。第④层粉质黏土承载力特征值（fak）根据探井载荷试验确定为410kPa，而塔楼部分基底最大反力632kPa，最小反力432kPa，平均基底反力532kPa，天然地基不能满足建筑承载力的要求，需要进行地基处理。二栋塔楼基础采用CFG桩复合地基，裙房采用天然地基。CFG桩复合地基承载力特征值340kPa，考虑基础埋深修正后可满足设计要求。基础采用梁式筏板基础，主楼筏板厚度1400mm，裙房部分筏板厚度1000mm，基础梁高1900mm。主楼计算最大沉降量为64mm，筏板基础无沉降突变。基础设计等级甲级，筏板内力分析采用建研院弹性地基梁设计和桩筏基础设计软件JCCAD计算。
3 结构设计
3.1 结构设计基本概况
本工程结构设计基准期为50年，设计使用年限为50年。建筑物抗震类别为丙类，建筑物安全等级为二级，按7度抗震设防，场地土类别Ⅱ类，设计基本地震加速度值为0.10g。框架、剪力墙结构抗震等级均为二级。
基本风压值0.40kN／m2（100年一遇），基本雪压值0.30kN／m2，地面粗糙度为C类。
楼面主要活荷载标准值：办公室、会议室取2.0kN／m2；计算机中心取3.0kN／m2；多功能厅取3.5kN／m2；餐厅、卫生间取2.5kN／m2；厨房、健身房取4.0kN／m2；走廊、门厅取2.5kN／m2；设备机房、电梯机房取7.0kN／m2；变配电用房10.0kN／m2；地下车库、汽车坡道取4.0kN／m2。在裙房2层3层楼板局部有凹口、深度，在裙房中部设置有较大的两层垂拔中庭，4层至裙房顶形成24m×16m井字梁楼盖，使裙房楼板刚度和空间刚度大为降低。
3.2 结构体系
两栋高层塔楼结构体系为框架－核心筒结构，通过5层裙房连成一个整体，形成了大底盘双塔楼顶部连体的建筑结构形式。核心筒平面为矩形，平面尺寸均为18.1m×8.4m，核心筒短轴方向宽度为8.4m，其高宽比99.95／8.4＝11.89，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3中内筒高宽比不宜大于12的要求。双塔楼在20～25层相连，建筑物沿竖向立面形成了洞口，在承受水平力并考虑空间作用时，结构空间变形因大底盘、高位连体、塔楼自振等因素的相互牵制作用，造成结构体系受力复杂，连接部位变形和应力加大。使用不同的计算程序分析表明高振型振动时结构受力反应明显。
裙房2层、3层楼板凹入深度16m，2层、3层有效楼板宽度与该层楼面宽度的比值分别为0.5，0.6，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3不宜小于该层楼面宽度0.5的规定。因建筑功能的需要，在楼板中部开洞，形成1～3层的垂拔空间，造成大底盘裙房楼板削弱，影响塔楼之间变形协调的能力。需要结构构造加强。
连体结构在高位，标高为77.30～99.50m。采用四榀钢结构桁架与塔楼连接，连接部位按刚性连接设计，连接体结构桁弦杆延伸至主体结构核心筒墙内。连体结构布置见图5，连体结构立面见图6，楼板为现浇钢筋混凝土楼板，配置双层双向拉通钢筋，板厚适当加厚，增加连体的整体刚度。型钢、连接件为Q345GJ钢，次梁、预埋件为Q235B钢。
图5 连体结构布置图
图6 连体结构立面图
3.3 主要构件尺寸和混凝土强度等级
核心筒周边墙体厚度：地下室至第4层400mm，第5层至第7层350mm，第8层至第18层300mm，第19层至顶层250mm。
核心筒内部墙体厚度：地下室至第6层300m，400mm，第7层至第15层250mm，400mm，第16层至顶层250mm，300mm。
框架柱：地下室1000mm×1000mm，第1层至第20层900mm×900mm，900mm×1000mm，第20层以上900mm×900mm，900mm×1000mm，700mm×900mm。
混凝土强度等级：基础C40。框柱：基础顶至25.50mC60（与墙相连的柱C40），25.50～51.40mC50，51.40～顶层C40。
混凝土墙：基础顶至44.00mC40，44.00m至顶层C30。梁、板、楼梯：基础顶至44.00mC40，44.00m至顶层C30。
3.4 结构计算分析
结构计算采用建研院开发的TAT（空间杆系，薄壁柱模型）和SATWE（墙元模型）软件，并进行了弹性时程分析，经分析比较采用了SATWE的计算结果，同时根据弹性时程分析结果对结构构件的配筋进行调整。
3.4.1 计算分析结果
（1）结构计算考虑两种结构模型计算：①大底盘双塔连体结构；②大底盘双塔结构（连体结构损坏时情况）。计算采用扭转耦联振型分解法，并考虑双向地震作用和P－Δ效应，结构嵌固在首层平面。表2为大底盘双塔连体结构模型，TAT和SATWE两种程序计算的振动周期（s）、平动系数、扭转系数及基底剪力。表3为SATWE程序分别计算上述两种模型结构的位移角、剪重比等结果。
（2）计算分析。
①计算表明结构具有足够的刚度，其位移、扭转均满足抗震规范和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3的规定要求；结构选取的振型数、有效质量系数基本反映了结构的振动特性；第1、第2振型均为平动，两个主轴方向平动周期接近，TAT的T1／T2＝1.04、SATWE的T1／T2＝1.11；第3振型是扭转为主的振型，扭转周期与平动周期比值在0.85以内，各振型曲线光滑连续，各平动、扭转振型基本独立、清晰，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移比在1.11～1.23，说明结构具有良好的抗扭和抗震性能。
表2 周期和基底剪力
表3 考虑扭转耦联时的位移角、剪重比
②从计算例表可以看出，TAT和SATWE两种计算程序的前17个振型所对应的周期和变形相差不大，而在高振型对应的周期差别逐渐增加，说明两种程序对构件模型化假定的不同，对计算数据略有影响，分析结果可作为设计依据。
下面列出SATWE程序地震水平力作用下结构各层位移、地震楼层剪力等简图，见图7至图11。
③两种计算结果均表明前几个振型是振动的主要振型，特征值明显。低阶振型对结构底部剪力贡献逐渐减弱，高阶振型对结构底部剪力贡献逐渐增大。
④计算分析时分别考虑了大底盘双塔连体和大底盘双塔计算模型，比较结果得出所有计算模型的前几个振型均有相似处，随着振型的变化，它的周期和变形差别逐渐变大。这是由于大底盘和连体的作用，塔楼之间的变形相互影响共同作用的结果，说明各塔的振动既有一定的独立性，又有一定的相关性。
图7 主方向最大层间位移角曲线
图8 主方向最大楼层位移曲线
图9 主方向最大楼层反应力曲线
图10 主方向最大楼层弯矩曲线
图11 主方向最大楼层剪力曲线
⑤结构最大层间位移角简图表明，结构最大层间位移层发生在双塔结构的中部。弹性动力时程分析表明第18、第19层为结构相对薄弱层，起因是上部5层双塔连体所形成的结构刚度造成下部单塔刚度相对较弱，尤其高振型时结构侧移异常明显。
⑥楼板的假定：在采用SATWE计算时，对裙房凹口周期的楼板，连接体的各层楼板假定为弹性楼板。当地震荷载作用时，塔楼之间相互作用，连接体楼板将产生较大的内力和变形，楼板的开裂会降低塔楼间相互影响，因此采用刚性平面块间弹性连接的计算假定是与实际情况相吻合。
⑦从结构整体空间振动简图来看，结构空间变形影响使连接体与塔楼相接部位受力复杂，需要单独分析计算。在建筑物竖向刚度变化处楼层剪力变化较大，框架梁、柱、剪力墙在地震力作用下弯矩、剪力、轴力具有加大突变的特点，因此在大底盘5～6层和连体20层处需要加强结构抵抗应力应变的能力。
3.4.2 弹性动力时程分析
本工程进行了弹性动力时程分析补充计算，找出结构的薄弱层。按照建筑场地类别Ⅱ类、设计地震分组第二组、场地特征周期0.40s选取三组地震波，其中现场实测地震波两组，人工模拟地震波一组。所选用加速度时程曲线为实际地震波TH3TG040、TH1TG040－和人工波RH1TG040，地震波的时间间距为0.02s，见图12。
图12 波形图
每条时程曲线计算所得的结构底部剪力及多条曲线计算所得的平均值及其他相应参数见表4。经分析比较采用了SATWE的计算结果，同时根据弹性时程分析结果对结构构件的配筋进行调整。
表4 弹性时程分析基底剪力和最大层间位移角
弹性时程分析结果的每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，3条时程曲线计算所得的底部剪力平均值均不小于震型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。
4 结构措施
（1）多塔结构的裙房顶层楼盖起着协同各塔楼共同工作的作用，由于塔与塔之间的相互作用，将在底盘层面产生较大的内力，所以屋面楼盖的刚度和承载力至关重要。在设计中，将本层楼板厚度取为180mm，配置双层双向钢筋网，其配筋率不小于0.25%。框次梁设置一定数量的通长钢筋，予以加强。
（2）大底盘与塔楼连接层上下各一层楼板厚取为140mm，配置双向双层钢筋网，以解决地震作用下，结构侧向刚度突变造成受力较大，结构延性降低等不利因素。
（3）连体结构的下两层及顶层楼板，以及主体结构与连接体相连的底层和顶层楼板板厚取150mm。计算时，假设连体楼板为弹性楼板，考虑其实际内力，提高此部位变形能力。
（4）连接体及连接相邻的结构构件的抗震等级提高一级，此部分构件预埋型钢，形成型钢混凝土组合结构，以加强连接体与塔楼相连处构件的抗震承载能力。
（5）裙房凹口周围楼板加厚150mm，解决其对大底盘空间刚度削弱问题。
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