高层建筑中平面不规则体系的结构分析与设计

2015-10-29何桃

建材与装饰 2015年4期

关键词：剪力墙抗震结构设计

何桃

（四川省林业调查规划院　四川　成都　610081）

高层建筑中平面不规则体系的结构分析与设计

何桃

（四川省林业调查规划院四川成都610081）

随着建筑行业的不断发展，建筑类型和高度不断增加，在建筑结构中出现了一些平面不规则体系，为城市建筑带来了全新的面貌，同时也给设计人员带来很大的挑战，本文主要以具体实例分析平面不规则高层建筑结构的设计，希望能为相关人员带来些帮助。

高层建筑；平面不规则设计；结构设计

引言

由于当前经济的飞速发展，建筑类型日益增多，其设计难度也有所提高，对于高层建筑结构进行设计的过程中，必须重视其平面布置的规则性。一旦高层建筑平面设计不规则，其平面质量中心和刚度中心将无法集中在一点，在强烈地震作用下，结构将会产生扭转现象。如果结构设计不合理，将直接破坏结构的安全及稳定性。所以，对此课题进行研究具有较强的现实意义。

1　基于平面不规则性的高层建筑结构设计特点

（1）在高层建筑结构设计中，水平力是其中重要的影响因素。一般在对多层建筑进行结构设计时，必须将结构竖向荷载因素放在首要位置分析。相关资料显示结构自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，与建筑高度的一次方成正比；然而，水平荷载对结构造产生的影响是十分不同的，其主要是与建筑结构高度的两次方成正比。换个角度思考，如果建筑物的高度达到要求，则竖向荷载将会变成一个定值。相对于作为水平荷载的风荷载和地震作用，它的数值变化较为特殊，其主要随着结构动力特性的变化。

（2）需要尽量降低高层建筑的自重。在实际的施工过程中，减轻高层建筑自重显得尤为重要。依据笔者的工作经验：地震效应与建筑的重量成正比。由以上关系，可以发现降低房屋自重可以有效减小结构所受地震力。如果增大高层建筑的重量，那么其结构承受的地震剪力将会越大，地震作用倾覆力矩越大。

（3）作为一个重要的控制指标，建筑物侧移与建筑物的高度有直接关系的。随着高层建筑的兴起，结构侧移日益成为影响高层结构设计的重要内容。除此之外，由于建筑物的高度在增加，导致新的建筑形式和结构体系不断涌现，因此在设计结构时，必须重视抗推刚度因素。

2　实例分析平面不规则高层建筑结构设计

某工程建筑面积38457.3m2，地上16层（1层地下室），结构高度为51.90m，地下室层高3.9m，地上2层为商业，层高均为4.5m，3层以上楼层均为住宅，层高3.0m。结构形式采用框架-剪力墙结构，平面不规则，1～2层结构平面和3层以上结构平面图分别如图1和图2所示。本工程采用框架柱与剪力墙作为结构的竖向抗侧力构件，保证了竖向构件的连续性，同时满足下部商场和上部住宅建筑的使用功能要求。剪力墙在设计中，均匀对称布置，提高结构抗震性能。本工程地下室顶板作为上部结构嵌固端，地下室顶板厚180mm，采用了双层双向配筋，配筋率不小于0.25％。剪力墙厚度从上往下分别为200mm、250mm、300mm。每层楼面均设置暗梁，暗梁按照框架梁计算配筋，剪力墙边框暗梁宽度与墙厚相同，高度是墙厚的两倍。竖向体型突出部位楼板厚度为150mm，上下层楼板厚度为130mm，配筋率大于0.25％。

图1　1～2层结构平面图

图2　3层以上结构平面图

2.1结构整体计算

本工程抗震设防烈度为Ⅶ度（0.10g），设计地震分组为第三组，建筑场地特征周期为0.45s，该工程设计使用年限为50年，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级，地面粗糙度为B类。楼面荷载依照实际情况设定为商业3.0kN/m2，住宅楼2.0kN/m2，楼梯间荷载为3.5kN/m2，卫生间荷载为2.5kN/m2，阳台荷载为2.5kN/m2，上人屋面荷载为2.0kN/m2。结构整体计算采用中国建筑科学研究院PKPM-SATWE软件计算，X向和Y向的有效质量系数分别为98.66％、99.92％，结构第一、二周期均为平动，第三周期为扭转，扭转周期比为0.842。

在地震力作用下，结构在X向和Y向最小剪重比分别为2.29％、2.56％，大于1.6％，满足规定要求。在双向地震作用下，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1.38：1.21，满足要求。X向与Y向结构各层竖向刚度满足要求，地下室与上部一层在X向和Y向的刚度比大于2满足地下室作为上部结构嵌固端要求。X向和Y向层与层之间抗剪承载力比值范围分别在0.900～1.260、0.900～1.230，满足要求。

2.2结构不规则设计措施

在此设计中为提高薄弱部位的抗扭性能，底部薄弱层框架柱、剪力墙断面尺寸加大，配筋加大，剪力墙四周均匀对称布置，并且加大周边框架梁及连梁的断面尺寸。在3～16层住宅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。结构薄弱层在多遇地震情况下，地震作用标准值的剪力乘以放大系数。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，本工程在X向和Y向的质量中心和刚度中心距离较为接近能满足规范要求。在上部住宅楼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并提高剪力墙配筋率，加强楼面板板厚以及楼面板双层双向配筋，并在洞口边缘的剪力墙端柱之间设置暗梁，提高抗扭性能。

3　平面不规则高层建筑结构设计注意事项

3.1高层建筑结构的对称性及均匀性的体现

①在实际操作中可以发现，高层建筑主体抗侧力结构沿两个主轴方向的刚度几乎接近一致，并且它的变形特性十分相同。在具体的设计过程中，由于高层建筑结构为三维空间，所以导致其地震、风荷载的方向比较随意；实践证明，只有两个主轴方向的刚度相对较好，结构抗震抗风的效果才比较优越。②这集中体现在高层建筑主体抗侧力结构沿竖向断面构成变化方面，必须防止其产生突变。简单地说，即保持其主体结构剪切刚度的稳定性。采用这种高层建筑，可以防止薄弱层受到损害，进而影响到整体结构的完整性，特别是对于强震区的一些建筑物而言。③在对高层建筑主体抗侧力结构进行设计时，必须保持同一主体方向的刚度均匀，防止其主体结构出现某一、二片刚度较大的情况，对结构延性造成不利影响。满足以上要求，则可以使水平荷载作用下的应力分布相对合理，实现高层建筑结构不规则抗震延性的目标。④此过程中有一点必须引起足够重视，即中央核心与周边结构的刚度的协调能力，这对于主体结构的抗扭刚度有着直接关系。

3.2荷载的传力直接

竖向荷载的定义容易被理解，它产生于建筑物本身自重和它的楼屋面活荷载。这是建筑结构中最为基本的一种荷载，它对建筑物的作用时间长。通常在建筑物结构中，竖向荷载的传力主要是指楼屋盖梁板垂直荷载的受力点、线、通过楼屋面板、梁将垂直荷载传递到竖向构件墙、柱，最终由墙柱逐层传递到基础。一般而言，风荷载是常见高层建筑结构中必不可少的水平荷载。另外，高层建筑结构不能超过风振加速度限值，这是为了避免造成

建筑物的振动过大，直接影响到其使用效果。

3.3结构的合理刚度

①楼屋盖结构的合理刚度。这个概念的理论性较强，在生活中的要求为使楼屋盖梁板断面尺寸的选择和布置满足要求。一旦楼屋盖结构的刚度不符合要求，那么将造成梁板发生变形，对建筑物的美观造成影响。情况相对严重的，其装修、填充墙、门窗也会受到不同程度的损坏；一旦楼屋盖结构的刚度超出范围，将会增加高层建筑物结构自重。这样一来，建筑的成本就大大地上升了。②主体抗侧力结构的合理刚度。它是整个高层建筑结构设计的一个重要参数。根据实践经验总结，主体抗侧力结构的刚度必须符合几个标准，比如水平位移、整体刚度等。只有这样，才能确保高层建筑结构的安全实效性。最后，值得指出的一点是，这个数值也不宜太大，过大的刚度对结构有着不利的影响。