何桃

（四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院　四川　成都　610081）

高層建筑中平面不規(guī)則體系的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

何桃

（四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院四川成都610081）

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，建筑類(lèi)型和高度不斷增加，在建筑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了一些平面不規(guī)則體系，為城市建筑帶來(lái)了全新的面貌，同時(shí)也給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，本文主要以具體實(shí)例分析平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，希望能為相關(guān)人員帶來(lái)些幫助。

高層建筑；平面不規(guī)則設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

由于當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，建筑類(lèi)型日益增多，其設(shè)計(jì)難度也有所提高，對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須重視其平面布置的規(guī)則性。一旦高層建筑平面設(shè)計(jì)不規(guī)則，其平面質(zhì)量中心和剛度中心將無(wú)法集中在一點(diǎn)，在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，將直接破壞結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定性。所以，對(duì)此課題進(jìn)行研究具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1　基于平面不規(guī)則性的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水平力是其中重要的影響因素。一般在對(duì)多層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須將結(jié)構(gòu)豎向荷載因素放在首要位置分析。相關(guān)資料顯示結(jié)構(gòu)自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，與建筑高度的一次方成正比；然而，水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)造產(chǎn)生的影響是十分不同的，其主要是與建筑結(jié)構(gòu)高度的兩次方成正比。換個(gè)角度思考，如果建筑物的高度達(dá)到要求，則豎向荷載將會(huì)變成一個(gè)定值。相對(duì)于作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，它的數(shù)值變化較為特殊，其主要隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化。

（2）需要盡量降低高層建筑的自重。在實(shí)際的施工過(guò)程中，減輕高層建筑自重顯得尤為重要。依據(jù)筆者的工作經(jīng)驗(yàn)：地震效應(yīng)與建筑的重量成正比。由以上關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)降低房屋自重可以有效減小結(jié)構(gòu)所受地震力。如果增大高層建筑的重量，那么其結(jié)構(gòu)承受的地震剪力將會(huì)越大，地震作用傾覆力矩越大。

（3）作為一個(gè)重要的控制指標(biāo)，建筑物側(cè)移與建筑物的高度有直接關(guān)系的。隨著高層建筑的興起，結(jié)構(gòu)側(cè)移日益成為影響高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。除此之外，由于建筑物的高度在增加，導(dǎo)致新的建筑形式和結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，因此在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，必須重視抗推剛度因素。

2　實(shí)例分析平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某工程建筑面積38457.3m2，地上16層（1層地下室），結(jié)構(gòu)高度為51.90m，地下室層高3.9m，地上2層為商業(yè)，層高均為4.5m，3層以上樓層均為住宅，層高3.0m。結(jié)構(gòu)形式采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，平面不規(guī)則，1～2層結(jié)構(gòu)平面和3層以上結(jié)構(gòu)平面圖分別如圖1和圖2所示。本工程采用框架柱與剪力墻作為結(jié)構(gòu)的豎向抗側(cè)力構(gòu)件，保證了豎向構(gòu)件的連續(xù)性，同時(shí)滿(mǎn)足下部商場(chǎng)和上部住宅建筑的使用功能要求。剪力墻在設(shè)計(jì)中，均勻?qū)ΨQ(chēng)布置，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。本工程地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，地下室頂板厚180mm，采用了雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25％。剪力墻厚度從上往下分別為200mm、250mm、300mm。每層樓面均設(shè)置暗梁，暗梁按照框架梁計(jì)算配筋，剪力墻邊框暗梁寬度與墻厚相同，高度是墻厚的兩倍。豎向體型突出部位樓板厚度為150mm，上下層樓板厚度為130mm，配筋率大于0.25％。

圖1　1～2層結(jié)構(gòu)平面圖

圖2　3層以上結(jié)構(gòu)平面圖

2.1結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

本工程抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場(chǎng)地特征周期為0.45s，該工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)，地面粗糙度為B類(lèi)。樓面荷載依照實(shí)際情況設(shè)定為商業(yè)3.0kN/m2，住宅樓2.0kN/m2，樓梯間荷載為3.5kN/m2，衛(wèi)生間荷載為2.5kN/m2，陽(yáng)臺(tái)荷載為2.5kN/m2，上人屋面荷載為2.0kN/m2。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM-SATWE軟件計(jì)算，X向和Y向的有效質(zhì)量系數(shù)分別為98.66％、99.92％，結(jié)構(gòu)第一、二周期均為平動(dòng)，第三周期為扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)周期比為0.842。

在地震力作用下，結(jié)構(gòu)在X向和Y向最小剪重比分別為2.29％、2.56％，大于1.6％，滿(mǎn)足規(guī)定要求。在雙向地震作用下，考慮到偶然偏心因素，最大彈性層間位移與樓間平均層間位移比為1.38：1.21，滿(mǎn)足要求。X向與Y向結(jié)構(gòu)各層豎向剛度滿(mǎn)足要求，地下室與上部一層在X向和Y向的剛度比大于2滿(mǎn)足地下室作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端要求。X向和Y向?qū)优c層之間抗剪承載力比值范圍分別在0.900～1.260、0.900～1.230，滿(mǎn)足要求。

2.2結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計(jì)措施

在此設(shè)計(jì)中為提高薄弱部位的抗扭性能，底部薄弱層框架柱、剪力墻斷面尺寸加大，配筋加大，剪力墻四周均勻?qū)ΨQ(chēng)布置，并且加大周邊框架梁及連梁的斷面尺寸。在3～16層住宅建筑的設(shè)計(jì)中平面凸出長(zhǎng)度為11.3m，加強(qiáng)凸出位置的樓板厚度和配筋率。結(jié)構(gòu)薄弱層在多遇地震情況下，地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力乘以放大系數(shù)。相鄰兩層之間的框架柱與剪力墻的尺寸面積相等，所采用的混凝土等級(jí)相同。為減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，剪力墻的布置要求均勻?qū)ΨQ(chēng)，并在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)周邊剪力墻的抗側(cè)剛度，經(jīng)過(guò)計(jì)算，本工程在X向和Y向的質(zhì)量中心和剛度中心距離較為接近能滿(mǎn)足規(guī)范要求。在上部住宅樓中采用了轉(zhuǎn)角窗的設(shè)計(jì)，削弱了結(jié)構(gòu)的抗扭性能，屬于薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的局部破壞現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)角窗的兩側(cè)設(shè)置剪力墻并提高剪力墻配筋率，加強(qiáng)樓面板板厚以及樓面板雙層雙向配筋，并在洞口邊緣的剪力墻端柱之間設(shè)置暗梁，提高抗扭性能。

3　平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1高層建筑結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性及均勻性的體現(xiàn)

①在實(shí)際操作中可以發(fā)現(xiàn)，高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿兩個(gè)主軸方向的剛度幾乎接近一致，并且它的變形特性十分相同。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于高層建筑結(jié)構(gòu)為三維空間，所以導(dǎo)致其地震、風(fēng)荷載的方向比較隨意；實(shí)踐證明，只有兩個(gè)主軸方向的剛度相對(duì)較好，結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)的效果才比較優(yōu)越。②這集中體現(xiàn)在高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向斷面構(gòu)成變化方面，必須防止其產(chǎn)生突變。簡(jiǎn)單地說(shuō)，即保持其主體結(jié)構(gòu)剪切剛度的穩(wěn)定性。采用這種高層建筑，可以防止薄弱層受到損害，進(jìn)而影響到整體結(jié)構(gòu)的完整性，特別是對(duì)于強(qiáng)震區(qū)的一些建筑物而言。③在對(duì)高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須保持同一主體方向的剛度均勻，防止其主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)某一、二片剛度較大的情況，對(duì)結(jié)構(gòu)延性造成不利影響。滿(mǎn)足以上要求，則可以使水平荷載作用下的應(yīng)力分布相對(duì)合理，實(shí)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則抗震延性的目標(biāo)。④此過(guò)程中有一點(diǎn)必須引起足夠重視，即中央核心與周邊結(jié)構(gòu)的剛度的協(xié)調(diào)能力，這對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的抗扭剛度有著直接關(guān)系。

3.2荷載的傳力直接

豎向荷載的定義容易被理解，它產(chǎn)生于建筑物本身自重和它的樓屋面活荷載。這是建筑結(jié)構(gòu)中最為基本的一種荷載，它對(duì)建筑物的作用時(shí)間長(zhǎng)。通常在建筑物結(jié)構(gòu)中，豎向荷載的傳力主要是指樓屋蓋梁板垂直荷載的受力點(diǎn)、線、通過(guò)樓屋面板、梁將垂直荷載傳遞到豎向構(gòu)件墻、柱，最終由墻柱逐層傳遞到基礎(chǔ)。一般而言，風(fēng)荷載是常見(jiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)中必不可少的水平荷載。另外，高層建筑結(jié)構(gòu)不能超過(guò)風(fēng)振加速度限值，這是為了避免造成

建筑物的振動(dòng)過(guò)大，直接影響到其使用效果。

3.3結(jié)構(gòu)的合理剛度

①樓屋蓋結(jié)構(gòu)的合理剛度。這個(gè)概念的理論性較強(qiáng)，在生活中的要求為使樓屋蓋梁板斷面尺寸的選擇和布置滿(mǎn)足要求。一旦樓屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度不符合要求，那么將造成梁板發(fā)生變形，對(duì)建筑物的美觀造成影響。情況相對(duì)嚴(yán)重的，其裝修、填充墻、門(mén)窗也會(huì)受到不同程度的損壞；一旦樓屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度超出范圍，將會(huì)增加高層建筑物結(jié)構(gòu)自重。這樣一來(lái)，建筑的成本就大大地上升了。②主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的合理剛度。它是整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度必須符合幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比如水平位移、整體剛度等。只有這樣，才能確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全實(shí)效性。最后，值得指出的一點(diǎn)是，這個(gè)數(shù)值也不宜太大，過(guò)大的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)有著不利的影響。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑越來(lái)越多，不規(guī)則平面高層建筑結(jié)構(gòu)日新月異，如何加強(qiáng)此類(lèi)建筑的抗震設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，為此，上文就不規(guī)則性高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了探析，以此提高此類(lèi)建筑的安全性。

[1]韓輝.基于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中平面不規(guī)則問(wèn)題的分析與處理[J].中外建筑，2010（5）：161～162.

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TU973

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1673-0038（2015）04-0016-02

2015-1-5