不规则建筑结构优化分析

单玉坤，刘莉娜

（天津大学建筑设计研究总院有限公司，天津 300017）

随着建筑业的发展，立面及平面不规则的建筑越来越多，某些高层建筑因结构布置不合理导致结构超限，从而需要进行超限相关设计计算及补充性能化设计分析，不仅增加了设计周期，还增加混凝土和钢筋用量，从而增加造价［1］。在不影响建筑功能及立面效果的前提下，针对结构自身特点进行优化，使结构体系满足国家及地方抗震规范的要求，保证结构具有良好的抗震性能，做到结构合理、经济性最佳。

1 工程概况

天津某酒店地上10层、局部11层，地下1层，地上建筑面积9 457.50 m2，地下建筑面积1 309.34 m2，建筑总高度43.40 m。一层层高6 m；二层层高5.1 m；3～10层层高均为4 m；局部11层为设备用房。

工程建筑设计使用年限为50 a，建筑结构安全等级二级，结构重要性系数γ0=1.0。抗震设防烈度为8度，0.20g，地震分组为第二组，抗震设防类别为标准设防，场地类别Ⅳ类，特征周期0.75 s；基本风压按50 a重现期取0.55 kN/m2，地面粗糙度为B类。结构嵌固部位为首层结构楼板。

2 超限问题分析

本工程设防烈度高、地基土软弱、特征周期长，地震力作用大，经过方案比选，主体采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。首先结合建筑平面布置，在楼梯、电梯间附近设置剪力墙，再结合平面功能及建筑立面，在合适的位置根据规范［2］要求设置一定数量的剪力墙，保证两个方向剪力墙布置均匀，受力合理。标准层剪力墙厚度均为300 mm，框架柱截面700 mm×700 mm，内部框架梁高700 mm。

对照天津市“建设工程超限判定表”（以下称“判定表”），从平面布置规则性、楼板是否连续、是否存在刚度突变等方面进行逐一分析并根据不规则程度进行评分，累计评分达到3分则判定为超限高层。结合计算结果及项目特点，对结构可能存在的不规则项进行结构优化［3］，使得结构布置更为合理，避免成为超限高层。

2.1 平面规则性判定

从塔楼是否偏置、扭转规则性、偏心布置、扭转刚度、凹凸不规则、楼板是否连续，6方面进行判定并进行细化评分，要想规避“超限高层建筑工程”，就要控制其不规则类型少于3项［4］。

2.1.1 塔楼偏置

大底盘塔楼偏置结构是一种抗震不利的复杂结构形式。大底盘塔楼偏置时，塔楼质心与裙房质心偏离，结构扭转效应明显，在地震作用下容易造成严重破坏，设计中应尽量避免或设缝将塔楼与裙房分开，使之受力简单合理［5］。

本工程裙房地上二层，高度H1=11.10 m，H1/H=11.1/43.4=0.256＞0.2，若裙房和主楼连为整体，经计算塔楼与底盘的综合质心偏心距大于底盘边长的20%，属于塔楼偏置结构，根据“判定表”，不规则项评分2分。

经分析，此部位设置抗震缝对建筑平面使用及立面效果均影响较小，故采取设置抗震缝的方案将裙房与主楼断开进行处理。通过设置抗震缝高层主体部分无塔楼偏置问题，不规则项评分为0分。

2.1.2 扭转规则性及偏心布置

经初步计算，局部楼层位移比1.19，接近1.2限值；同一楼层刚心与质心的偏心率为0.136 4，接近0.15限值。根据经验，后期建筑功能详细计算过程中，这两项指标均存在超过限值的可能，依据“判定表”，两项综合计分，暂时判定为不规则项，不规则项评分为1分。

2.1.3 扭转刚度

模型开始试算阶段，计算扭转周期比为0.91，超过规范［2，6］限值。结构周期比＞0.9即为特别不规则建筑［6］，一般通过增大周圈刚度的方式调整，结合建筑平面布局并考虑对立面的影响，调整周边框架梁高至850 mm，提高了结构整体刚度，扭转周期比调整至0.71，满足规范要求［2］。不规则项评分为0分。

2.1.4 凹凸不规则

建筑平面呈L形，见图1。

图1 标准层平面

L/B=38.9/17.6=2.21＜3，l/b=16.1/10.85=1.48＜1.5，l/Bmax=16.1/33.7=0.48＞0.3,b/L=10.85/38.9=0.28＜0.3，结构平面凸出大于总尺寸的30%且凸出的宽度小于相应投影方向总尺寸的30%。此平面布置为建筑使用最优方案，不易调整，故此建筑属于平面不规则,不规则项评分为1分。

2.1.5 楼板连续性

各个楼层均未设置较大洞口且楼梯、电梯设置所导致的洞口宽度远小于此位置处典型楼板宽度的40%，楼板连续性良好，不规则项评分为0分。

2.2 竖向规则性判定

竖向不规则高层建筑，由于竖向刚度大、体型不均匀、出现突变等，地震下作用响应明显，对结构安全有很大影响［7］。一般从结构是否刚度突变、承载力突变，是否层刚度偏小3方面进行判定。

经计算，结构的层间受剪承载力均大于相邻上一层的80%，结构无承载力突变。各楼层与其相邻上层侧向刚度比均＞0.9，满足要求［2］，无层刚度偏小的楼层；但首层底板为嵌固层，首层与二层X和Y方向刚度比分别为1.48、1.49，均不满足＞1.5的要求［2］，属于刚度突变。结构超限不规则项已得2分，若此处再评1分，则结构不规则项满3分，判定为“规则性超限”的高层建筑工程［3］，需进行超限高层建筑抗震性能化设计。

结合建筑功能，将首层局部剪力墙厚度增加，提高结构首层的抗侧刚度。经过调整，首层与二层X和Y方向刚度比为1.53、1.54，满足规范要求［2］，结构无竖向刚度突变，不规则项评分为0分。

2.3 尺寸突变判定

因面积限制，十层平面收进，对是否存在尺寸突变进行判定。见图2。

图2 十层平面

收进部分面积与下部楼层面积比：16.1×10.85/(16.1×10.85+38.9×17.6)=0.203＜0.25，满足上部收进的尺寸不大于相邻下部楼层的25%要求且在此收进仅一层，位置位于建筑顶部，即设备层结构平面处，结合建筑立面，将框架结构向上延伸至顶层并设置框架梁故尺寸突变不超过“判定表”限值，不规则项评分为0分。见图3。

图3 设备层结构平面

2.4 其余不规则项判定

结合平面布局及立面设置进行分析，本建筑无局部悬挑结构、不存在错层、加强层、转换层等其他不规则项。

综上，结构不规则程度评分总分为2分，不属于超限高层建筑工程。

3 主体结构主要设计结果分析

考虑扭转耦联时主要振动周期、X和Y方向的平动系数、扭转系数计算结果见表1。

表1 结构主要周期计算指标

第1扭转周期（0.732 6）/第1平动周期（1.033 5）=0.71。

地震力作用下位移比及连梁刚度不折减模型下位移角见表2。

表2 结构主要位移计算指标

结构的第一、二周期均为平动周期且X和Y两个方向刚度接近，扭转周期比、位移角、位移比等指标均满足规范［2,6,8］要求。

3 结语

1）通过“超限判定表”进行结构布置的各种不规则项分析，是确定结构是否超限、受力是否合理的便捷方法。

2）对接近或超过规范限值不多的情况，应进行进一步结构优化，尽可能避免结构设计为超限高层。

3）结构主要整体性指标，须结合规范要求逐一核查，使结构的经济性和安全性同时得到保证。