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
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.。