平面不规则高层建筑结构的设计

吴登翔　周达靖

摘要：科学技术不断的进步，建筑行业良好的发展趋势，使得设计师解放了设计自身的局限性，奇妙的构思，大胆的想象，导致建筑的多样性。楼房建设的越来越高可以说是当代建筑的一个特点，同时也因设计者独特的思想创造了一些平面不规则的高层建筑，这些建筑不仅仅代表着科技水平的提高，同时也反映的社会的进步。建筑设计中结构设计是非常重要的，本文就是通过相应的工程建筑实例，对平面不规则建筑结构的设计进行深入分析。

关键词：平面不规则；高层建筑；结构设计

对于建筑的结构设计，我国有相应的规范要求，要求建筑的平面布置需要具有规则性，相应的的结构之间需要存在一定的对称关系，建筑的整体结构设计需要协调合理，不应该选用不规则的平面布置方案，这样对于结构的整体的性能会造成不利的影响。但是新技术、新材料的不断出现，科学技术的不断创新，为平面不规则高层建筑的结构设计提供了技术保障，如今传统的建筑规范要求已经渐渐不适用于当今的建筑需求。品面不规则建筑为城市建设添加了新的风貌。

一、高层建筑平面不规则结构设计问题

高层建筑会因为结构设计的不规则使得建筑结构产生一定的扭转效应，当然外界不良因素对于建筑的影响也会造成结构发生相应的扭转效应，外界不良因素的影响指的是例如建筑区域内发生地震，地震会对地面结构造成严重的影响，地面某部分结构会发生位移，存在的一定扭转力就会使建筑结构产生扭转效应。建筑结构本身也会导致这种不良现象的产生，以往的建筑结构设计时，会把建筑结构设计想象成一种平面的模型，这种设计方法只是适用于原来循规蹈矩的规则结构设计，在不规则结构设计中会存在很大的缺陷，因为不规则结构设计的建筑，建筑的质量中心和刚度中心所在位置很在一定的差距，并没有相互的重合。在高层建筑品面不规则结构实际时，首先要考虑极限的扭转效应，从而确定建筑需要控制扭转力的额度，并且能对扭转效应的周期指标有一定的了解，要严格的保证建筑可以拥有良好的抗扭转性能，这样才能更好地对周期进行控制，位移比的控制也应格外的注意，提升性能有效途径就是提升建筑的质量和整体结构的刚度。

二、工程概述

某工程建筑面积11457.3㎡，共21层高66.12m，地下室1层～地上3层是商业广场，层高3.6m，以上楼层为住宅区，层高3m。工程采用框架-剪力墙结构设计，采用平面不规则、扭矩不规则设计，合理的剪力墙能够提高建筑的稳定性，需要对建筑结构设计中的薄弱部分采取抗震构造设计。工程在建筑中中分是用了电梯等，嵌入剪力墙，满足下部商场和上部民用建筑的同时，保证构件的连续性。剪力墙在设计中，纵横面力求平衡，提高抗震性能，为减小扭转效应需要优化调整周边潜力强长度以及宽度设计。地下室顶板厚180mm，采用了双层双向配置，配筋率0.25%。核心结构外力剪力墙厚度从上往下分别为200、250、300、350mm，相应的剪力墙截面尺寸为500、600、700mm。楼面设暗梁，宽度超过墙宽度至少600mm，按照框架梁计算配筋，剪力墙边框的暗梁宽度与墙宽相等，高度是墙宽的两倍。楼板竖向体型突出部位厚度为150mm，上下层楼板厚度为130mm，配筋率超过0.25%.

三、架构整体计算

该建筑工程使用年限为50年，抗震等级为8度、第三组，预计设计地震加速度数值设定为0.2，建筑场地特征周期为0.45s，一般地震影响系数不超过0.16，最大为0.9，屬于一级抗震等级，地面粗糙度为B类设计。楼面设计依照实际情况设定为居民楼2.0kN/㎡，楼梯间荷载围为3.5kN/㎡，卫生间荷载为2.0kN/㎡，阳台荷载为2.5kN/㎡，要求上人屋面荷载达到2.0kN/㎡。结构整体计算采用SATWE和PMSAP软件计算，SATWE最大地震效应角度角为45.285度，PMSAP计算结果与之很接近，取15个结构计算振型，X向和Y向的有效质量系数分别设定为98.66%、99.92%，结构第一振型和第二阵型分别为X向平动、Y向平动，第三振型为扭转。

荷载和地震作用下，满足高规设定要求。建筑总质量为15104.541t，X向和Y向最小建立系数分别为5.09%、5.26%，大于3.2%，满足规定要求。在双向震动作用下，考虑到偶然偏心因素，最大弹性层间位移与楼间平均层间位移比为1.39：1.21，满足要求。X向与Y向结构各层竖向层与层之间的刚度满足高俅，结构竖向不存在薄弱层，地下室和一层X向和Y向的刚度比满足要求。X向和Y向层与层之间抗剪承载力比值范围分别在0.900～1.340、0.900～1.330，满足要求。

四、结构不规则设计措施

在此设计中为提高薄弱地区的抗扭性能，竖向体型突变部位厚度设定为1800mm，钢筋设计采用双层双向通长设计，配筋率大于0.30%.工程在4～21层民用建筑的设计中平面凸出长度为11.3m，加强凸出位置的楼板厚度和配筋率。由于此建筑的上下层之间作用不同，因此在4层以上的平面结构部分收近高度11.1m，收进后的平面宽度为12.7m，满足要求。

结构薄弱层在多遇地震情况下，剪力值设计乘与最大系数，楼层剪力墙的设计采用中震不屈服分析的计算剪力。相邻两层之间的框架柱与剪力墙的尺寸面积相等，所采用的混凝土等级相同。为减少结构的扭转效应，剪力墙的布置要求均匀对称，并在此基础上加强周边剪力墙的抗侧刚度，经过计算本工程，X向和Y向的质量中心和刚度中心分距离别为0.01～0.07m、0.05～0.37m，对应的建筑物边长分别为0.27%、1.50%。在工程设计中采用了转角窗的设计，削弱了结构的抗扭性能，属于薄弱环节设计，容易出现结构的局部破坏现象，在设计中，转角窗的两侧设置剪力墙，加强楼板板筋的配置率，并在洞口边缘的端柱之间设置暗梁，提高抗扭性能。在中震不屈服的设计中，为了提高建筑结构的塑性耗能能力，地震影响系数取最大值0.45，为了保证结构安全，设计采用弹性力时程分析法补充计算，内置特征周期为0.45s，地震加速度是程曲线最大为70cm/s2，加速度依照最大1：0.85取值。

五、抗震设计

针对工程的实际，综合分析各方面因素，采取的抗震技术措施主要有：在建筑允许的情况下尽量加长加厚周边剪力墙，尤其是离刚心最远处，将刚心和质心偏心率调整到最小，减小扭转周期，将结构调整成扭转规则结构。削弱核心筒连梁，采用弱连梁连接，使平动周期增大，增大平扭周期比。控制墙柱轴压比，提高柱的纵筋配筋率和箍筋配筋率（特别是角部），纵筋配筋率均加大一级，柱箍筋全楼加密，角柱加芯柱，来提高结构竖向构件在大震中抵抗的变形能力。在凹角处增设45°斜向钢筋，抵抗角区应力集中，加强薄弱处的板厚和配筋。

总结：根据以上内容本文首先讲述了平面不规则高层建筑结构设计中存在的问题，然后根据相应的工程实例进行分析。我国建筑行业发展的速度很快，平面不规则高层建筑建设的数量越来越多，这是建筑设计者面临的挑战也是巨大的机遇，要严格的保证建筑的科学性、合理性，保证平面不规则高层建筑的各项性能都能够满足人们的使用需求。

参考文献：

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[2]李亚娥，刘高峰，孙瑞祥，等.平面不规则长形高层建筑结构扭转效应的研究[J].甘肃科学学报，2011（02）