高层建筑设计中平面规则性的重要性研究

林书佚

1 概述

近十年来，我国高层建筑在各地层出不穷，建筑的高度不断增加，平面形式也越来越复杂，这一点在地震设防烈度与风荷载均相对较小的重庆地区尤为突出。不少高层建筑已经超出了GB 50011-2001建筑抗震设计规范和JGJ 3-2001高层建筑混凝土结构技术规程的适用范围和相关抗震设计规定。目前重庆地区的超限高层建筑工程主要还是集中在结构平面不规则从而导致的超限上。从实际工程情况来看，其他方面均不超限的前提下，平面不规则也会在很大程度上导致整体结构扭转效应增大，甚至危及结构的抗震安全。

2 工程概况

该工程为重庆涪陵滨江国际花园二期工程，建设地点位于重庆市涪陵区滨江片区。地面上33层均为住宅，地下1层为大底盘车库。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35 s，水平地震影响系数最大值为0.04，场地类别为Ⅱ类。

本工程主楼主体高度为99 m，在A级设计限值以内，故抗震设防类别为标准设防类。结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，地面粗糙度为B类，基本风压按100年一遇取值(W0=0.35 kN/m2)。

根据建筑物的平面形状及功能要求，本工程采用了两道抗震缝将建筑物从地下室顶板面起分为三幢单体，缝宽均满足规范要求。这三幢单体均为33层高层住宅，标准层平面布置完全相同，因此本文仅取其中一幢进行分析。

本工程结构体系选用全落地剪力墙结构，不存在竖向构件转换的情况，但由于地下车库停车位及车行通道的布置，竖向构件的位置及尺寸受到相当大的限制。另外，标准层边梁高度由于建筑立面要求均为600 mm。

3 方案一

本工程在方案阶段结构专业已经介入，对建筑专业提供的方案一进行了初步分析。

3.1 平面规则性分析

该主体标准层平面布置为Y形。

1)90°方向:平面凸出一侧的尺寸为 l=14 317 mm，该方向总尺寸为 Bmax=32 080 mm，l/Bmax=44.6%＞35%。 45°(135°)方向:平面凸出一侧的尺寸为 l=10 470 mm，该方向总尺寸为Bmax=36 537 mm，l/Bmax=28.7%＜35%。2)0°方向:细腰部分 b=14 000 mm，该方向总尺寸为 Bmax=31 000 mm，b/Bmax=45.2%＜50%。45°(135°)方向:细腰部分 b=6 900 mm，该方向总尺寸为Bmax=21 800 mm，b/Bmax=31.7%＜50%。3)90°方向:平面凸出部分长度与连接宽度之比为 l/b=1.02。45°(135°)方向:平面凸出部分长度与连接宽度之比为l/b=1.52。

该平面有楼梯及电梯开洞(由于电梯开洞处四周均为剪力墙，因此不计入楼板开洞面积中)，开洞面积比率小于30%，任一方向的有效楼板宽度均大于5 m，楼板在开洞处的净宽度为9.58 m，小于该层楼板典型宽度(典型楼板宽度采用加权平均计算[3])30.3×50%=15.15 m。

根据文献[3]，本工程属于高度不超限，平面不规则，竖向规则的结构体系。

3.2 结构分析及主要结果

本工程采用PMSAP程序进行了小震作用下的弹性计算及时程分析，按地震选波三要素，选取Ⅱ类场地上的2组实际强震记录TAF-235波、TH2TG035波及1组人工模拟的场地波RH2TG035进行弹性时程分析。主要计算结果见表1。

表1 方案一结构整体计算分析结果

综上所述，该方案整体结构的抗扭刚度明显不足，扭转效应较大，对结构抗震不利。

4 方案二

结构专业将方案一平面不规则的情况反馈给了建筑专业，建筑专业根据结构专业的建议对方案进行了调整，调整后的方案(方案二)的结构平面形状及尺寸见图1。

4.1 平面规则性分析

该主体标准层平面布置仍为Y形，结构平面形状尺寸见图1。

1)90°方向:平面凸出一侧的尺寸为 l=8 521 mm，该方向总尺寸为 Bmax=27 645 mm，l/Bmax=30.8%＜35%。 45°(135°)方向:平面凸出一侧的尺寸为 l=10 500 mm，该方向总尺寸为Bmax=30 993 mm，l/Bmax=33.9%＜35%。2)0°方向:细腰部分 b=14 900 mm，该方向总尺寸为Bmax=23 200 mm，b/Bmax=64.2%＞50%。45°(135°)方向:细腰部分 b=10 900 mm，该方向总尺寸为Bmax=21 800 mm，b/Bmax=50%。3)90°方向:平面凸出部分长度与连接宽度之比为 l/b=0.57。45°(135°)方向:平面凸出部分长度与连接宽度之比为l/b=0.96。

与方案一计算有效楼板宽度的方式相同，该方案平面开洞面积比率小于30%，任一方向的有效楼板宽度均大于5 m，楼板在开洞处的净宽度为10.48 m，大于该层楼板典型宽度(典型楼板宽度采用加权平均计算)18.84×50%=9.42 m。

根据文献[3]，本工程属于高度不超限，平面及竖向均规则的结构体系。

4.2 结构分析及主要结果

结构整体计算选用软件及各项参数的选取与方案一完全相同，主要计算结果见表2。

与方案一相比较，方案二的扭转效应明显减少了，也就是说结构布置，截面尺寸等更加合理，从而进一步确保了结构在水平荷载作用下的安全。

表2 方案二结构整体计算分析结果

5 结语

从本工程两个方案的对比分析可以看出，相对平面较规则的方案二结构的周期及位移均符合规范要求，也就是说，这一方案在水平荷载作用下的扭转效应较小，在水平荷载作用下整个结构的变形受力将更加均匀，减少了出现薄弱层以及薄弱构件的几率，从而使结构更加安全可靠。

因此，结构工程师应该尽可能早的介入整个高层建筑的设计中去，从最初的建筑方案设计时就从结构破坏的机理、控制结构振动特性等的角度出发为方案提出适当的修改建议，并调整结构布置，使其既能满足建筑专业使用功能的要求，其计算结果又能满足结构专业规范及规程的要求，这样建筑的安全性及经济性都将达到更加令人满意的结果。

[1] GB 50011-2001，建筑抗震设计规范[S].

[2] JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] DB 51/T5058-2008，四胆省抗震设防超限高层建筑工程界定标准[S].

[4] 朱炳寅.对《建筑抗震设狡规范》第 6.1.14条规定的理解和设计思考[J].建筑结构技术通讯，2006(8):20-23.