某平面不规则高层建筑的抗震设计

章少华 尚志诚 庆彦营

(河南省朝阳建筑设计有限公司，河南 郑州 450008)

某平面不规则高层建筑的抗震设计

章少华 尚志诚 庆彦营

(河南省朝阳建筑设计有限公司，河南 郑州 450008)

针对某平面不规则高层建筑存在凹凸不规则及楼板不连续等不利因素，分析了工程平面不规则的类型及程度，并采用抗震性能化设计方法对关键部位进行了设计，经过抗震计算分析及有针对性的抗震加强措施，结构能达到预期的抗震性能目标和规范要求。

平面不规则，剪力墙结构，抗震性能化，设计

1 工程概况

某平面不规则高层建筑位于郑州市西郊，为一栋高层住宅楼，采用剪力墙结构体系，建筑面积约3.6万m2。建筑物地下2层，为自行车库和储藏室，地上34层，建筑高度99.6 m，1层为物业用房和架空层，2层以上为住宅，平面左右对称，结构标准层平面图见图1。建筑结构的安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。工程抗震设防类别为标准设防类(丙类)，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.40 s，地面粗糙度类别为B类，50年一遇的基本风压为0.45 kN/m2，基本雪压为0.40 kN/m2,承载力设计时按基本风压的1.10倍采用，风荷载体型系数取1.40。

2 结构方案及规则性分析

国内外大地震中相邻结构碰撞造成的震害十分普遍，主要是设置防震缝时，缝宽度过小，地震摇摆使距离过近的结构碰撞，导致结构损伤[1]。现行建筑抗震设计规范中对设缝的相关规定为：体型复杂、平立面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝，并符合相应的要求。其总体倾向是：体型复杂的建筑并不一概提倡设置防震缝，可设缝、可不设缝时，不设缝但应采取相应措施[2]。

对本工程，根据建筑平面的特点和平面的复杂程度，结构方案的选择有两种：1)设缝将结构分成两个相对规则的平面；2)不设缝，针对平面不规则的类型和程度采取相应的措施。经过对结构方案的对比分析，并根据建筑所在场地的控制条件，综合考虑各方面的因素，最终采用不设缝的结构方案，其主要考虑有以下几方面：a.由于该场地条件的限制，不设缝方案有利于建筑对场地的控制和利用；b.结构不设缝可避免建筑对防震缝的外立面处理；c.根据大量地震震害情况及结构大震弹塑性分析结果，对该高度近百米的结构，其防震缝宽度要远大于规范的推荐值，才能保证建筑在进入弹塑性阶段时不发生碰撞或减轻碰撞的损坏程度。

设计时针对不设缝的结构方案，对其规则性进行了判定。在平面规则性上，结构在规定的水平地震力作用下，考虑偶然偏心的楼层最大位移比为1.19，不超过1.20，不属于扭转不规则平面；结构平面凹入约60%，超过平面典型宽度的30%，属于凹凸不规则平面；结构楼板的有效宽度约为平面典型宽度的40%，小于平面典型宽度的50%，属于楼板局部不连续；在竖向规则性上，结构不存在刚度突变、承载力突变及竖向构件间断的情况，属于竖向规则结构，根据超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点(建质[2010]109号)，综合判定该结构为凹凸不规则和楼板局部不连续的不规则结构，不属于超限结构。

3 结构整体计算分析

根据结构的特点及复杂程度，结构在整体计算分析时采用PMSAP软件，对弱连接处楼板的局部应力计算分析采用ETABS软件，结构计算模型如图2所示。

3.1 结构主要计算参数

地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。考虑偶然偏心及双向地震作用，计算振型数为27，周期折减系数取0.95，连梁刚度折减系数取0.60，墙、柱混凝土强度等级为C45～C30，梁、板混凝土等级为C30，结构抗震等级为二级。

3.2 结构主要计算结果

结构的前2阶周期分别为Y向和X向的平动，周期值分别为2.574 5 s和2.458 7 s，第3阶周期为扭转，周期值为2.242 6 s，结构周期比为0.871，满足规范不大于0.90的限值要求，结构具有较好的抗扭刚度；结构X向及Y向的刚重比分别为5.39和4.93，满足规范要求，可不考虑重力二阶效应；地震作用下，结构X向最大层间位移角为1/1 211，位于第16层，结构Y向最大层间位移角为1/1 158，位于第22层，两个方向均满足规范的限值要求，结构两个方向的变形均呈弯曲型变形曲线，符合剪力墙结构的受力特性；在规定水平地震力作用下，结构X向和Y向的最大位移比分别为1.05和1.19，满足规范对扭转效应的控制要求。

4 连接处楼板分析

对凹凸不规则平面，建筑物易在凹角部位形成应力和变形集中，导致楼板开裂和破坏，从而引起结构的局部破坏甚至倒塌[3]。对该结构，两侧结构单元的刚度较大，连接部位的楼板起着连系和协调两侧结构单元变形的作用并传递地震力，其楼板平面内承受较大的剪力。在地震作用下，一旦连接处楼板发生破坏，不能继续连系和协调两侧结构单元的变形和传递地震力，则两侧结构单元形成独立的抗震单元，若设计中未考虑其单独承担地震作用，则会导致结构出现局部破坏甚至倒塌。根据地震震害经验及抗震设计概念，结合平面不规则的程度，本工程在设计中对连接处楼板采用抗震性能化设计方法，其性能目标为：在小震和中震下楼板处于弹性状态，在大震下楼板截面尺寸满足剪压比的控制要求。即结构在地震下各单元的地震作用全部由连接处楼板承担，楼板截面尺寸满足大震受剪截面控制条件。

针对该结构平面的特点，设计中对连接处楼板(图1中阴影部分)采用壳单元模拟，分析其应力和变形集中的部位，根据分析结果采取有效的抗震加强措施。

4.1 连接处楼板沿楼层竖向的应力分布

对连接处楼板，其凹口角点和平面尺寸变化的部位应力集中明显，受力较大。根据剪力墙在水平荷载作用下呈现弯曲型的变形特性，其受力沿楼层分布具有一定的规律，图3给出了Y向地震下凹口角点A点和平面尺寸变化的部位B点沿楼层竖向的X向应力分布，A点和B点平面位置见图1。由图3可知，A点在26层以下为压应力，26层以上转变为拉应力，并在顶层处拉应力达到最大；而B点在30层以下为拉应力，30层以上转变为压应力，并在顶层压应力达到最大。对该凹凸不规则平面，两侧单元的抗侧刚度相对中间连接楼板处较大，中间连接处楼板相当于一道水平放置的深梁，两端支承在两侧的结构单元上，其A点和B点所在边相当于深梁的受拉或受压翼缘。在结构中下部，由于两侧单元水平位移较小，连接楼板上翼缘即B点所在边出现拉应力，下翼缘即A点所在边出现压应力；而到了结构上部，由于剪力墙水平位移加大，同时由于扭转效应的加大，导致上翼缘受压下翼缘受拉，从而出现A点和B点拉压应力的转变。图4中给出了第5层和第34层连接楼板在Y向地震下X向的应力分布，从图4中可明显看出连接处楼板在水平荷载作用下上下翼缘的拉压应力分布状态与一道水平放置深梁的受力状态类似。

4.2 大震下连接处楼板的简化设计

4.3 中震下连接处楼板应力分析

确定各层连接处楼板板厚后，根据其在中震下保持弹性的性能目标对结构进行了中震弹性计算分析，中震弹性计算的水平地震影响系数最大值取0.34，内力调整系数取1.0，保留作用分项系数，材料强度采用设计值；计算结果表明，各层连接处楼板在中震下能保持弹性工作状态，其顶层连接处楼板的拉、压应力最大，其最大压应力为1.52MPa，最大拉应力为1.11MPa，均小于楼板的混凝土轴心抗压及抗拉强度设计值，楼板处于弹性状态。

4.4 连接处楼板外围楼层梁受力分析

连接处楼板相当于一道水平放置的深梁，其上下翼缘在地震作用下承受较大的拉、压应力。外围的楼层梁相当于连接处楼板的加强肋，在地震作用下，外围的楼层梁与普通楼层梁一样需要承受平面内的弯矩、剪力和扭矩，同时还承受轴向拉、压力和平面外弯矩。通过分析可知，连接处楼板外围楼层梁为承受轴向拉、压力的双向弯、剪、扭构件，设计中应根据其受力状态进行配筋设计及构造处理。

5 结语

1)结构可采用分块刚性楼板假定，对连接处楼板应采用壳单元模拟，以反映真实的受力；2)加强两侧结构单元的抗侧刚度，以减少扭转效应对连接处楼板受力的不利影响；3)根据大震剪压比控制条件确定楼板厚度且最小楼板厚度不应小于120mm，采用双层双向配筋，配筋率不小于0.25%；4)连接处楼板外围楼层梁应按承受轴向拉、压力的双向弯、剪、扭构件进行设计，并采取相应的构造措施。抗震计算分析表明，结构整体受力合理，连接处楼板局部出现应力和变形集中，采取抗震加强措施后构件能实现预期的抗震性能目标。

[1] 方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]GB50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] [法]米兰·扎赛克.建筑抗震概论[M].贾 凡，译.北京：中国建筑工业出版社,2010.

[4] 建质[2010]109号，超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S].

Seismic design of high-rise building with irregular plane

Zhang Shaohua Shang Zhicheng Qing Yanying

(HenanZhaoyangArchitectureDesignCo.，Ltd，Zhengzhou450008，China)

According to the irregular plane high-rise building with many unfavorable factors including bump irregular and discontinuity of floor, analysis the type and degree of irregular plane, performance-based seismic design method was used to design the key components. Through the seismic calculation analysis and strengthening measures, the structure can meet the design goals of performance and criterion requirements.

irregular plane， shearwall structure， performance-based seismic, design

1009-6825(2015)02-0028-03

2014-11-07

章少华(1983- )，男，硕士，工程师,一级注册结构工程师； 尚志诚(1972- )，男，高级工程师，一级注册结构工程师； 庆彦营(1981- )，男，工程师，一级注册结构工程师

TU352.11

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