不规则高层建筑结构的抗震研究

施展

摘 要：现如今，城市化建设进程不断深化，高层建筑如雨后春笋般出现在城市各个角落，在缓解城市用地压力等方面发挥着积极作用，也成为城市发展水平的重要标准之一。在众多高层建筑中，不乏涉及到鸟巢、水立方、长城饭店等标新立异的建筑，为城市增添了不一样的色彩。但由于这些建筑以不规则形态呈现出来，对工程设计师提出了更大的挑战，尤其是抗震方面，在遵循规范准则的同时，还要高效处理建筑结构抗震问题。基于此，本文对不规则高层建筑结构的抗震进行分析。

关键词：不规则；高层建筑结构；抗震

1 前言

抗震工作是建筑设计和施工的重点，为使所设计的高层建筑结构在强度、刚度、延性及耗能能力等方面达到最佳，结构工程师要进行严格系统的结构分析与设计。不规则高层建筑的不规则性，对高层建筑的结构设计提出了更高的难度和要求，论文就此展开论述。

2 不规则高层建筑结构概述

以往，高层建筑造型与火柴盒一样，单调且乏味，缺乏新意。但上个世纪八十年代，随着城市化进程建设不断加快，人们物质生活得到了极大的改善，对精神文化需求不断增强，为建筑设计带来了发展机遇。复杂、不规则及不对称结构高层建筑涌现，并成为建筑发展的潮流。如上海希尔顿酒店、深圳发展中心等，正因为建筑造型独特引起了人们的关注。与此同时，美国高烈度地震区的西海岸也出现了很多形式复杂、不规则高层建筑物，虽然，我们看到的建筑物体型规则、简单，但由于其抗侧力构件布置与一般建筑差别较大，使其能够在结构上以不对称形态呈现出来。如尼加拉瓜马那瓜的中央银行，在设计中，其主要呈现简单的矩形状，但在建筑东西方向设置电梯井，在很大程度上增加了建筑物刚度。虽然不规则高层建筑看上去给人一种摇摇欲坠的视觉效果，但由于其设计依据科学的力学计算，是科学的。不规则高层建筑以扭转、凹凸不规则等多种形式存在，相比较一般建筑来说，不规则高层建筑设计难度较大，故要给予更多关注和重视。

3 不规则高层建筑结构抗震分析

3.1 案例分析

某高层建筑地上25层，地下3层，总体高度104.2米。15层以下东西长度94米，16层以上为83米。南北向宽度为30米，总建筑面积5.3万平方米。地下三层分别为餐饮、商业、车库区。

建筑师从环境和功能的要素的角度，将北侧设计为电梯、机房、管井的集中区域，南侧为敞开式的商住和办公区域，采用玻璃幕墙作为立面的材料。整体立面为起航的船体，屋顶从东向主屋面逐渐升起，高点高度为22.5米，上有桅杆，桅杆高度为15米。

3.2 设计详情

建筑物的结构特点把握，从15层开始向上，西北侧有收进，竖向的变化较大，南侧没有设计剪力墙予以支撑，南北向的偏心较大。顶层自西向东有变化，东面较高和重。

平面上的特点是，建筑物的两个端部有刚度较小的单跨框架，东南的尖角为单柱，在地震作用下，端面的平面质量将起到很大的作用，由于不规则，因此，需要在扭转效应上，设计出较大的抗侧刚度。

经过对结构特性的分析之后，采用试算的方法，发现建筑物的特点是西低东高、西轻东重。东端和西端出现的单跨框架以及部分的面积，侧刚较小，产生东段振幅较大的情况，为了使得结构能够形成以平动为主的基本振型，因此在东面设置了剪力墙。

针对南北向的偏心问题，为了满足建筑连续多跨的框架刚度较大的特点要求按照剪力墙承担的总弯矩进行了剪力墙量的设置，减少了纵向地震作用下可能产生的扭矩，这样，建筑物的靠近端部的剪力墙转动中心的力臂将增大，能够在地震扭转中南北偏心产生的时候起到重要的作用。

4 工程结构抗震设计

对于位移限值的分析，在考虑了偶然偏心影响的地震作用，楼层的最大位移与层高的比例是满足建筑设计要求。RATIO为层平均位移和最大位移之间的比值，RTIO-D（n）为层平均层间和最大层间的位移比值，MAX-D/h为最大层间位移角，Umax为顶层最大位移（mm）。

计算模型分别按照0、90度和45度方向计算结构在水平力作用下的变形和内力的组合特征，考虑双向水平地震作用下的扭转影响，得到了剪力墙连梁的折减系数、周期折减系数、阻尼比等数值。

经过软件的计算结果，还发现个别连梁的弯矩和剪力出现截面超筋的情况，再进行连梁设计以及配筋的时候，通过设置钢暗柱的方式，给予了加强措施。在本工程中，两个单元的建筑均为混凝土核芯筒体的垂直交通通道，如电梯、楼梯，构成的核心抗侧力的构件主要分布在两侧，这种设计提高了抗侧的高度。对于周边的翼板出现的出挑略多的问题，采用了弹性板加以解决，充分考虑变形对于边角柱以及竖向构件的影响，提高了一个等级的抗震功能，加强的区域内的配筋，采用全高加密箍筋的方法，保证地震发生的时候构件不屈服，结构延性加强。

本建筑工程有着平面立面不规则的先天状况，因此，要对计算过程中的近似性、局限性、地震的不确定性进行充分的考虑，将施工因素等问题加入设计的内容。不能完全依靠计算结构，而是要对结构的整体构造，薄弱环节加以分析，从结构安全的角度进行设计。

例如工程在地震作用下，最不利的趋于在两个端部，这部分为单跨柱框架，因此应进行承载能力和延性的加强，防止出现破坏。

工程的框架承担地震的总弯矩经过测量接近50%，因此要在南侧纵向框架的强度和延性设计上采用提高抗震等级的方法进行构造的设计。

工程的西侧剪力墙的数量较少，因此，在该区域的抗扭的设计上应予以加强。

还有中心部位的楼电梯间，混凝土的剪力墙布置上，框架较小的框架带来了单体抗扭转刚度不足的问题，可以通过增加结构的侧力抗扭剛度的方法进行增大，依靠外围抗侧力墙刚度增加的方法，将抗扭转刚度增大。

5 结构不规则设计的注意事项

结构不规则设计时，必须注意以下问题：（1）重点考虑结构的均匀性与对称性，并对结构的偏心率进行有效的控制。如果能够保证偏心率足够小，结构就会出现清晰的平动主振型和扭转主振型，更容易符合扭平分量比的标准；（2）重视累积质量对结构的影响。如果结构的某一部分存在高低跨现象，需要科学合理的设置剪力墙，有效的降低偏心距；（3）如果楼板因存在大面积缺失的现象而形成长短柱的状态，不但要提高短柱的延性，而且需要提高长柱的刚度；（4）提高结构周边梁的刚度。通过提高周边连梁与框架梁的刚度，可以提高整体结构的抗扭刚度，并且有利于刚心位置的调整。

6 结语

根据上文所述，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。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。

参考文献：

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