平面不规则高层建筑结构的分析与设计思考

■李信泽 ■海南珠江建筑设计院有限公司，海南 海口 570125

伴随着改革程度的不断加深，我国已经在诸多行业、领域取得相应的成绩，而其中又以建筑行业的发展态势最为良好。从当前来看，各大城市中高层建筑物不断拔地而起。在设计高层建筑结构的过程中，平面布置应当切实考虑到规则性问题，如果使用平面不规则的设计方法，便会使平面刚度中心与质量中心不能处于相同的点上，所以在设计高层建筑结构的过程中应该重点考虑扭矩的问题。

1 工程概况

某工程为一座集办公楼、酒店为一体的综合大厦，该建筑地下有2层，地上25 层，底部裙房4 层，总面积为45000m2，总高度97.8m，地下为车库，首层则是酒店和商铺，2 到4 层时酒店餐厅，5 到12 层为酒店客房，12 层以上为办公楼。此大厦的特征是竖向功能变化多。与此同时，大楼为丙类建筑物，使用年限是50 年，抗震强度7 级，剪力墙和框架梁抗震等级2 级，框架柱抗震等级1 级，基础设计甲级，应用强度大的预应力管桩，结构计算应用SATWE 软件完成，下图为调整之后结构裙房和标准层的平面示意图。

图1 调整后的结构裙房和标准层平面示意图

2 针对不规则情况进行处理的方法

大楼平面形体是Z 字形，L/Bmax=0.56 ＞0.35，为不规则建筑结构，竖向存在立面缩进，层高差别大。通过初步运算发现，结构在风荷载和地震影响下的位移角可达到规定的要求，虽然可达到规范需要，然而第二周期扭转因子已经很大，达到0.34，这说明此结构抗扭刚度显然不够。与此同时，此结构在考虑偶然偏心情况下的扭转位移比X 向和Y 向都大于1.30，甚至还有1.40 的，此结构的扭转效应比较严重，属于扭转不规则，裙房4 层时薄弱层，刚度低于上3 层平均刚度的近八成，首层是软弱层，抗剪承载力达不到上层的八成，此结构不规则位置为5 项，属严重不规则结构，此楼上下层功能较多，地下室是车库，业主要求有较大空间布置墙体受到约束，2 到4 层时酒店多功能厅，需空间宽敞，布置墙体受约束，5 到12 层时酒店客房，不允许在建筑外侧设置剪力墙，12 以上是办公楼，中间也很难布置墙体，很多功能使此楼中部和边上很难存在墙体上下贯通。

此楼设计中的关键工作为调整周期比及扭转位移比，因此楼平面凹凸不规则，2 个核心筒都处于两端，刚度十分的不均匀，刚心和质心有很大的偏差，在地震的影响下容易出现扭转破坏。控制周期比和控制位移比相同，但控制周期比的侧重点在于测向刚度和扭转刚度间的相对性，主要目的是抗侧力平面布置更加合理、有效，促使建筑结构不产生过大的扭转效应。所以，控制周期比的主要目的是使结构抗侧力构件的布置更加均匀、合理，而不是让结构更具有刚度。若是平动第一周期和扭转第一周期相对接近，因振动藕连作用，结构扭转效果应该会变化的较为明显。然而，此大厦第二周期扭转因子为0.34，一般认为其扭转刚度较弱，需要进行调整，不可只认为平动和扭转第一周期的比值低于0.9 就可以，同时还需要考虑平动周期内的扭转因子，如若不然在地震较大时结构第一周期很有可能就会是扭转周期。考虑到这一比如哦环节，应该针对结构竖向构件进行调整:首先，在结构左上方及右下方各加1 片相对较长的剪力墙，加强建筑物周边结构构件的抗扭性，同时还要把结构刚心大幅度的推向左侧;其次，在右下角核心筒位置开洞，降低此处的刚度，这主要是原因这一位置核心筒有很大偏心，这使得刚度中心向左侧偏移;第三，取消上部核心筒下端的1 个小核心筒，降低中间刚度，并把此核心筒连梁减弱，从而使结构剪力墙更为均匀，这对于结构扭转周期比和位移比皆大有裨益。

首层高度8m，致使受剪承载力低于上层的近八成，要妥善处理抗剪承载力不够的问题，应该增加抗剪截面或是提升混凝土的强度大小，具体办法为再首层以下每层柱截面都增加100mm，强厚增加50mm，混凝土强度增加一级，这之后受剪承载力比会在大于90%，达到基本需要。此大厦第4 层初算是薄弱层，4 层顶便是裙房屋面，扩大裙房屋面梁截面，增加屋面板厚度，能够有效防止薄弱层。经过以上调整，此大厦5 项不规则调整成2 项不规则，防止了申报超限情况的发生。

3 调整前后的周期参数

参见下表1:由于1 个小核心筒被取消，刚度变低，然而调整结构之后刚度显然比调整之前更加均匀，同时也加强了抗扭刚度，扭转位移比得到了显著的改善，最大扭转位移比都低于1.20，属规则建筑结构、一个平面上显然不规则的结构经过科学调整刚度，能够使其成为规则的结构。

表1 调整前后的周期参数对比

4 抗震技术的应用

全面分析工程实际的每一方面因素，一般应用的抗震技术有:(1)在条件允许的情况下，尽可能增加周边剪力墙的厚度，特别是离刚心最远的位置，把刚心及质心的偏心率调整成最低，降低扭转周期，把建筑结构调整为扭转规则的结构;(2)减弱核心筒的连梁，应用弱连接梁进行连接，增加平动周期和平扭周期比;(3)科学控制墙柱的轴压比，提升柱纵筋的配筋率及箍筋配筋率，纵筋配筋率都要扩大一级，柱箍筋全楼进行加密，角柱加芯柱，以此提升结构竖向构件在强震时抗形变水平;(4)在凹角位置设置45°的斜向钢筋，抵抗角区应力集中，加强薄弱位置的配筋与板厚;(5)虽然四层可不算作规范中的薄弱层，但是计算时依然要按照薄弱层进行运算，地震剪力需要乘以1.15 增大系数，并且要强化此楼层的墙柱配筋，提升建筑结构在强震中的抗形变水平。

5 结语

总而言之，对于当前各大城市不断出现的造型别致、彰显个性的不规则建筑，结构设计需要全面分析具体情况，集中从概念设计着手，找到结构的关键点与薄弱点，在工作中不断克服不利因素，促使建筑结构在竖向和平面科学布置结构的刚度，防止可能出现的薄弱位置。与此同时，还应强化薄弱位置的构造，最终使看似不规则的建筑调整为结构上规则的建筑。

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