不规则高层建筑结构抗震分析

李刚

（太原理工大学建筑设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

伴随城市化进程不断推进，我国建筑工程技术得到持续发展，而当前社会生活状态下人们对于建筑工程的要求越来越高，对于建筑功能的需求越来越多，在这种情况下，建筑形式不断增多。为进一步提高土地利用率，高层建筑成为当前建筑工程的主要组成部分，而在各类高层建筑中不规则高层建筑是其中比较特殊的一种类型。不规则高层建筑是当前建筑工程的重要发展方向，其整体特性凸显了建筑的形式特征，而且也能通过异形结构来满足一些常规建筑工程无法达到的功能。但是不规则高层建筑在抗震性能方面还存在诸多问题，高层建筑如果抗震性能不达标，一旦受地震影响极容易出现建筑损毁的严重问题，为进一步提升建筑工程整体建设质量，本文将以某不规则高层建筑工程为例，对该类建筑工程的地震作用力解算以及在抗震性能方面存在的问题进行分析。

1 高层不规则建筑结构地震中状态解算

1.1 利用时程分析进行解算

具有一定结构特征的物体在进行受力运动状态分析的过程中需要对其运动微分方程进行分别求解，这样才能够得到比较完整的结构物体在力作用下的运动状态情况。这种分析方式称之为时程分析。想要了解高层不规则建筑结构的抗震能力，自然要明确其震中运动状态，因此可以采取时程分析的方式进行解算。采取这一方式进行解算的过程中需要搜集该地区的具体地震参数，了解常见地震波情况后将地震参数与建筑结构设计参数直接输入系统，通过系统的运动微积分计算来了解不规则高层建筑在该类地震中的运动情况并借此明确抗震性能。由于时程分析属于完全动力分析，因此能够详尽了解该建筑中各主要应力点在地震中的运动情况，据此计算应力参数并明确振动对结构产生的影响[1]。时程分析既能够给出相应的线性时间结构运动情况，同时也能直接分析地震中的加速度时程曲线，通过这些参数能够直接得出各部位结构截面的抗震承载力以及受地震应力影响后的形变情况。

1.2 利用底部剪力法进行解算

等效单质点在水平地震力影响下产生的结构影响与正常的建筑工程在地震中所受剪力影响是一致的，因此在研究建筑结构在地震中所受作用力时可以采取这样的替换研究方式来明确具体的抗震性能[2]。底部剪力法解算抗震性能时基于结构体系的自振特征以及地震加速度的最大反映函数，如图1所示高点地震加速度较高，而低点地震加速度较低。在实际应用过程中底部剪力法虽然能够在一定程度上反映地震中相关结构的载荷动作情况，但是对于动力响应方面的内容不能很好地进行表达，所以这种解算方式存在一定的局限性。该解算方法的优势在于计算过程中的计算量相对比较小，各项计算中所需的参数容易明确，在使用过程中需要结合实际情况来分析是否适用[3]。

图1 底部剪力法计算

1.3 利用反应谱法进行解算

反应谱法也叫振型分解反应谱法，该解算方式的核心就是单自由度体系的加速度数据。一般来讲利用反应谱法对建筑结构在地震中的抗震性能进行计算能够得出比较精确的参数，但是在多自由度体系之下想要获取相应的抗震参数需要进行海量计算，而且需要录入的参数种类和总量都比较大。利用这种计算方式能够很好地消除建筑薄弱层，因为该计算能够很好地明确建筑结构不同位置的剪切刚度以及位移量，从这些具体的数值之中就能够有效分析出哪一部分属于薄弱区域并可以针对具体参数来了解薄弱层载荷能力差的原因，这样就可以在结构设计方面调整消除薄弱层[4]，如图2所示。

图2 不规则高层建筑在现代建筑工程中非常常见

2 针对高层不规则建筑结构抗震问题的分析

本文以某商厦为例，该商厦为混合功能建筑，包括地上25层以及地下2层，其中1～8层为商业用途，10～19层为办公层，20～25层用作居住用途，-1～-2为地下停车场。其中商层去平均举架高度为5.8m，办公层和居住层举架高度均为3.9m，地下停车场层高为3.0m。该建筑整体结构为剪力墙结构。在进行结构设计勘验时发现本建筑对标高层建筑抗震相关标准时存在超限问题，现对相关问题进行分析解决。

2.1 扭转受力不规则

刚度分布不均匀是导致扭转受力不规则的核心原因，针对本建筑进行参数试验时可发现办公层和居住层均有部分楼层存在弹性水平位移量比值超限的情况，尤其是12、14、23、24这4层，其最大位移量和两端位移量比值超限（大于1.2），这导致这几层在地震受力过程中应力变化量与其他楼层不符，这会导致建筑整体在地震中存在扭转不规则的严重问题，该问题会进一步导致其他应力载荷平面出现超出最大承载值的问题，因而抗震性能无法满足要求。要解决该问题就必须从结构刚度分布入手，分析上述几层的构件、边梁、边墙，解算这些主要承力部分的扭转刚度，针对薄弱部分进行重点调整，同时根据整体效果进行相应的解算调整扭转受力不规则的不利情况[5]。

2.2 高宽比大

相关规定对于高层建筑的高宽比有明确要求，超限的情况下其抗震性能无法满足要求，在这种情况下，对本设计中的左塔与右塔高宽比进行计算，得出高宽比分别为7.59以及6.92，而国家规定高层建筑其整体高宽比不得大于6，很明显本工程左右塔均已超限。在进行调整的过程中，采用时程分析的方式考虑地震水平力以及其他轴向力来对其进行计算，通过所得数据来分析当前设计下能够承受的最大地震等级。针对不符合国标的问题，采取push over分析体系来计算地震位移量，通过明确地震位移量来调整墙柱结构，最大限度增强其延展性，在关键承力部位墙柱中增加加强筋，同时对承受较大剪力的构件进行进一步强化抗震性能。

2.3 平面不规则

从结构上来看，由于多通道楼梯的原因导致楼板楼梯开孔数量较多，本建筑地上1～8层采取每层3梯的方式进行设计，因此开孔较多，在结构刚性方面受到较大的影响。对于楼板而言，其刚性直接影响建筑整体抗震性能，楼板刚性高不仅能够有效提升应对地震水平作用力的能力，而且对于其他轴向作用力也有更好的抵御能力。而在开孔较多的情况下，其结构整体性受到较大影响，尤其是孔洞周围结构刚性下降比较严重。面对这种情况，在调整过程中主要采取剪力墙围合的方式来进行刚性弥补，在调整过程中不仅在结构方面保障楼梯孔采取剪力墙围合的方式来提升刚性，而且还要注意在楼板上做出调整，直接采用双层双向筋的方式来提高孔洞以外其他部分的结构刚性。

2.4 薄弱点明显

根据结构参数实验结果来看，该建筑19层为明显薄弱点，该层从收进幅度来看其参数量比较大，已经形成了一定的不利位移，因此在调整过程中直接进行上下层刚度调节，保障18层以及20层的整体刚性，同时针对楼板进行调整，使用双层双向筋进行强化。检查19层整层的剪力墙结构，重点对楼梯开孔处进行参数测试，通过强化剪力墙来有效提升整体结构刚性，消除抗震薄弱点。

3 结语

本文针对不规则高层建筑结构的抗震情况进行详细分析，首先对此类建筑结构在地震中的受力状况解算方式进行分析，明确具体的计算方式，而后对实际案例中的建筑抗震情况进行研究，所得参数发现该工程存在较多的超限情况，文中同步给出了相应的调整策略。希望本文所述相关内容能够进一步推动高层不规则建筑的抗震设计研究。