平面不规则高层建筑结构设计研究

2020-02-16宋修月

建材与装饰 2020年27期

宋修月

（贵州正业工程技术投资有限公司，贵州贵阳 550000）

如今，建筑层数越来越多，高度不断提供，而且为满足使用要求，建筑平面结构布置还可能出现不规则的情况，这无疑对结构设计提出了更高要求。基于此，在实际设计工作中，需要根据建筑工程实际情况，制定合理可行的结构设计方案，将平面不规则这一因素造成的影响降至最低。

1 工程概况

某高层建筑工程总建筑面积约2.7 万平方米，整栋建筑的平面是一个等边八字形，设1 层地下室，地上层数为33 层，在结构建模过程中若将电梯间和大水箱都考虑在内则为36 层，每层的层高相同，均为2.930m，建筑总高97.88m。建筑的屋顶设置有水箱，建筑中共配备三台电梯。建筑场地的地势相对平坦，从相关地质勘察报告可以得出，场地范围内的浅层地下水主要为潜水，没有发现任何污染源。该场地的地震设防烈度为Ⅶ，是典型的IV类场地。在地表下方15m 的深度范围内，以砂质粉土与粉砂两种成分为主，由于均未达到饱和，可忽略地基土液化方面的问题。以场地中地层实际分布情况为依据，该建筑工程桩基础可将粉砂层作为持力层。通过对场地及其周围环境条件的综合考虑，该建筑桩基采用钻孔灌注桩。考虑到该高层建筑工程的平面不规则，不同于常规高层建筑，所以对结构设计提出了更高的要求，结构设计必须根据工程的实际情况进行，以此保证设计的合理性与可行性，为后续的结构施工奠定良好基础。现围绕该平面不规则高层建筑工程实际情况，对其结构设计做如下深入分析。

2 基础设计

该高层建筑工程的±0.000 标高和4.950m 的绝对标高相当，建筑地下室底板的实际标高是-6.420m，底板的厚度为2000mm，顶板的厚度为250mm，地下室实际埋深在5.600m 左右，外墙的厚度相同，均为350mm。如前所述，该高层建筑的基础采用钻孔灌注桩，采用强度等级为C35 的混凝土通过浇筑而成，设计桩长54m，设计桩径700mm，将粉砂层作为桩基的持力层，桩端进入持力层的深度为3.2m 左右。根据相关试验与测试结果，单桩极限承载力的标准值是6287kN，设计承载力数值是3900kN，灌注桩顶部标高是-6.320m，设计过程中主要接触JCCAD 程序进行计算。经计算可知，该高层建筑工程的基础设计可以达到要求[1]。

3 结构设计

3.1 结构抗震设防标准

该高层建筑工程的主要用途为住宅，建筑类别为丙类，以建筑所在地区的抗震设计相关规程为依据，该高层建筑工程需按照Ⅶ度进行设防，抗震等级确定为二级。

3.2 结构平面形成

为满足工程建设方和设计单位提出的要求，每个楼层的楼板都要在三个地方进行开天井，这样会使楼板上开出大口，产生与星型相类似的结构。因结构平面凹进侧实际尺寸比投影方向上尺寸的1/3 大，水平方向凹槽为10.67m，则相同方向上的尺寸在33.37m 左右，所以开口可以达到32%。另外，平面中还存在三个大开口（除了电梯井和内天井的开口），连接部位楼板的宽度和单元外伸长度的比值大于1.0。在四个单元当中，有三个单元的外伸长宽比在1.0 以上，导致整个结构平面的布置都不规则，进而使楼板平面中的刚度显著降低，影响楼盖自身整体性，这是对结构整体抗震有很大影响的，必须在结构设计过程中引起结构工程师的高度重视，制定针对性措施及时且有效地处理[2]。

3.3 楼层结构布置

该高层建筑的上部结构形式以剪力墙为主，采用钢筋混凝土通过现浇而成，为保证结构体系侧向刚度实现均匀变化，墙厚需沿竖向不断减小，这会使材料强度也不断减小。该高层建筑地下室的外墙总厚为350mm，内墙厚度比外墙小，为300mm，采用强度等级为C40 的混凝土；地上1 层至地上5 层的内、外墙厚度相同，均为300mm，采用强度等级为C40 的混凝土；地上6 层至地上15 层的内墙厚度为250mm，外墙厚度比内墙大，为300mm，采用强度等级为C35 的混凝土；地上16 层至地上25 层的内、外墙厚度为250mm，采用强度等级为C30 的混凝土；地上26 层至地上33 层的内、外墙厚度为200mm，采用强度等级为C30 的混凝土[3]。

该高层建筑上部结构所有楼层的楼板厚度相同，均为120mm，地上30 层级以上由于设计需要将10-16、A-G 轴间房与1-8、M-R 轴间房都做成大开间，按L/35 考虑，板厚最大值为220mm。通过相应的验算和分析，以上设计可以达到挠度和抗裂缝等方面的要求，能为之后的结构设计与施工奠定良好基础。

3.4 抗震措施

考虑到该高层建筑的平面结构实际布置并不规则，故在实际的结构设计工作中，为保证结构整体抗震性能，必须结合实际情况制定并采取合理可行的抗震措施，这些抗震措施主要包括以下几点：

（1）在结构布置设计过程中，应在条件允许的情况将边缘处梁增高，并将凸窗部位的联梁尽量做高，在所有楼层上的开口部位都设置拉梁，以此保证结构自身整体性，确保水平方向上的地震作用得以充分传递，减少或避免在地震作用和影响下产生的扭转效应，保证结构安全和稳定性。

（2）建筑剪力墙处门窗洞口应做到上下对齐，且尽量做到一通到底，以此形成明确且清晰的联梁及墙肢。

（3）适当对楼板进行加厚处理，用于减小楼板上的开洞尺寸，进而降低由于在楼板上进行开洞对结构抗震造成的影响。

（4）对于所有在结构平面上突出的部分，都对其根部的梁进行增高处理，以此提高结构完整性，保证抗震性能[4]。

（5）按照四层的间隔，在楼板上的开洞位置采用楼板连接，当初算结果不满足要求时，可采用这一措施进行处理。

3.5 计算分析

结构计算主要采用以下两种程序：SATWE 与PMSAP，同时采用TAT 对比。考虑到该高层建筑的平面结构为不规则形式，所以为保证计算模型与实际情况相符，在计算时需将各个楼层都定义成弹性楼板，以此减小误差，同时充分考虑扭转耦联。

通过对比，采用PMSAP 进行计算得出的结果和采用SATWE计算得到的结果十分接近，根据不同参数结果可以看出，PMSAP模型对应的刚度结果只比SATME 略高，其原因主要为PMSAP采用的是多边形单元，在计算过程中可进入整体结构当中进行分析，充分考虑了各楼层及构件之间存在的耦合作用，使结构刚度得以增大。而SATWE 除了考虑弹性楼板，还能对楼板平面以内和以外刚度进行计算，所以两者在计算结果上存在一定差别，但差别不大。

因该高层建筑的结构布置和抗侧刚度在竖直方向上的分布相对均匀，而且没有产生明显变化，通过对地震与风荷载持续作用下位移数据进行的分析，内力和位移都沿着竖直方向发生变化，但没有突变。另外，由于电梯井处是一个筒体，受地震作用后，其侧移曲线为弯剪形。对于地震作用条件下的最大层间位移和层高的比值，通过复核都在1/1000 以内，最大顶点位移和总高的比值，通过复核都在1/1100 以内。对于风荷载作用条件下的最大层间位移和层高的比值，通过复核都在1/1100 以内，而最大顶点位移和总高的比值，通过复核都在1/1200 以内。对于位移达到最大的楼层，其端角点位移和质心位置的比值，通过复查都在1.4 之内。

对于平面结构布置不规则的建筑，尤其是高层建筑，应按照抗震设计规范要求做好动力时程分析，在多遇地震条件下做好补充计算。该高层建筑工程主要模拟四条地震波。通过动力时程分析可知，受多遇地震作用后，配筋值可以达到设计和规范提出的要求。在地震作用条件下，楼层的层间位移，水平方向不超过71.2mm，竖直方向不超过66.3mm；位移角，水平方向不超过1/1151rad，竖直方向不超过1/1223；反应力，水平方向不超过1633.1kN，竖直方向不超过1630.9kN；剪力，水平方向不超过22404.6kN，竖直方向不超过21705.5kN；弯矩，水平方向不超过1450468kN·m，竖直方向不超过1433915kN·m。