不规则高层建筑结构的抗震研究

吴卫华 尹俊红 万海涛

（河南大学土木建筑学院 河南开封 475004）

1 高层建筑抗震结构设计的基本原则

结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能。结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱（墙）”的原则；对可能造成结构的相对薄弱部位，应采取措施提高抗震能力；承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

应尽可能设置多道抗震防线。一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。

对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层（部位），使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，是提高结构总体抗震性能的有效手段。

2 规则高层建筑结构抗震分析

2.1 工程概况

本文选取的大厦主体结构为地下一层，地上十层，集办公室、试验及展示等功能于一体。建筑底层层高为5.7m，2层层高为5.3m，斜屋面最高处为50m。建筑总面积为3万m2，该建筑主体结构采用的是现浇框架———剪力墙结构体系，抗震等级为三级，楼屋面采用的是现浇钢筋混凝土梁板结构。

2.2 工程结构抗震设计

（1）设计参数。对于该工程的设计，结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为Ⅵ度。

（2）设计具体措施。根据抗震设计要求，并立足于工程基本特点，在抗震设计中，可以从如下几个方面入手，以此来提高建筑物整体抗震性能：①在结构设计中，设计师可以利用壳元理论作为构造墙元模型，同时，采用广义协调墙元模型，对高层结构进行充分分析，形成立体、直观的结构模型，帮助设计师进行观察，高效处理结构细节；②调整建筑质心、刚心位置，在底部1～3层之间，采用增加剪力墙、调整墙体厚度的方式，使得建筑质心与刚心之间能够尽可能接近；③在U型平面底部增加一定数量的剪力墙，将扭转位移比控制在1.5之内；④针对3层以上的南立面外倾，要考虑到外倾柱对梁柱的荷载，并进行计算，使得外倾柱能够在结构内产生最大拉力，保持在398kN；⑤工程内的多数框架结构以单跨形式存在，能够在一定程度上提高工程抗震性能。与此同时，由于框架柱倾覆弯矩超过50%，故框架的抗震等级可以设置为三级。

2.3 关键结构设计分析

（1）上部结构斜柱、斜框架设计。针对平面框架的计算，由于存在斜柱，使得沿着框架梁方向，会产生一定的附加轴向应力。对于应力的控制应设计两根直柱。在设计中，采用PK、SATWE软件对带斜柱框架进行计算，得出的结果存在一定差别。前者在计算中，仅考虑到自身框架受力与形变，计算内力较大，故计算出来的结果用到设计中，能够提高结构安全性，使建筑结构保持稳定。在空间模型内，由于存在平面刚度较大的楼板，使得各框架之间会相互作用，重新分布附加水平力。如果在中间榀设置剪力墙后，那么其面内刚度会超过框架柱，平面内刚度较大的楼板会将水平力传递出去。

（2）抗倾覆设计。本工程从3层开始呈现U型形态，整体结构通过斜框架向外倾斜9°，同时从5层开始的U型平面45°开始进行斜向收缩，促使结构质心向上、向外移动，在很大程度上增加了倾覆力。为了优化抗震设计，可以采取如下措施。①加强对上部结构的拉结与斜向框架抗震构造，充分考虑各方面影响因素，确保斜柱拉力能够保持在协调状态。②确保上下层连接，通过45°斜屋面，构建斜向框架结构，使得主体结构之间能够保持上下层之间的连接，从而优化建筑结构受力效果。③对于上部结构来说，其抗倾覆最大的平衡点就是地下室。结构设计过程中，应加强对其整体倾覆力的计算，了解整体倾覆力对结构产生的影响，并对地下室顶板整体刚度及配筋进行相应的调整和处理。

3 结论

不规则高层建筑作为城市发展、建筑水平提升的具体表现，其能够以独特的形态呈现出来，符合当代人的审美需求。但值得注意是，不规则高层建筑与一般建筑不同，要加强抗震设计，确保建筑工程在使用中能够保持稳定、安全，且能够延长建筑工程使用寿命。因此在设计中，设计师要充分考虑实际情况，加强对细节的研究，实现工程的抗震设计。针对平面的设计，可以考虑布置剪力墙，控制整体结构扭转位移比能够在规范范围之内。同时，针对竖向的抗震设计，要加强对剪力墙位置与厚度的控制，调整刚心位置，尽可能与质心相接近。随着建筑技术不断发展，我们还要加大研究力度，不断提高不规则建筑抗震设计水平，从而促使建筑工程综合效益得到充分发挥。

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