不规则高层建筑结构设计要点分析

2021-12-31招云杰

工程建设与设计 2021年20期

招云杰

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，长沙 410000）

1 引言

在现代城市发展中，高层建筑已经成为不可或缺的一部分，在提高土地利用率等方面发挥着重要作用。然而，由于建筑高度的增加、功能的复杂化，结构造型越来越新颖，各种不规则情况屡见不鲜。与规则建筑相比，不规则高层建筑在地震作用下极易发生严重的结构破坏，由此对结构设计提出了更高的要求，本文主要围绕此问题展开详细分析。

2 不规则结构的定义

不规则结构的出现源于人们对建筑外形、功能的追求，其在达到高层建筑各种功能要求的同时，也满足了视觉审美要求。然而，此种情况也给结构工程师带来了巨大挑战，不规则建筑结构的质心、刚心不重合，在地震作用下，极易发生较大的扭转变形[1]。目前，根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版，以下简称《抗规》）对不规则结构进行了如下划分：

1）平面不规则：包括扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续等情况。其中，扭转不规则结构要求在规定水平力作用下，楼层最大弹性水平位移（或层间位移）超过两端弹性水平位移（或层间位移）均值的1.2 倍；凹凸不规则结构要求平面凹进尺寸超过投影方向总尺寸的30%；楼板局部不连续则为楼板尺寸、平面刚度出现急剧变化[2]。

2）竖向不规则：包括竖向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变等情况。其中，竖向刚度不规则指该层侧向刚度未达上一层的70%，或是未达其他3 个楼层侧向刚度的80%，除了顶层、出屋面小建筑以外，局部收进水平向尺寸超过下一层的25%；竖向抗侧力构件不连续主要是指竖向抗侧力通过水平转换构件朝下传递的结构；楼层承载力突变是指抗侧力构件层间受剪承载力达不到上一层的80%[3]。

不规则高层建筑结构设计具有一定特殊性，不仅要在规范要求内进行，为满足相关造型或功能要求时，还需完成一些超出规范要求的计算与分析，打破一些常规的限制，建造出更加优质、可靠的工程项目，本文围绕工程案例针对此展开详细分析。

3 高层建筑结构的不规则情况分析

3.1 工程概况

本项目为某综合体建筑，由1 栋塔楼与裙楼组成，塔楼地上46 层，建筑高度为218.5 m，分为大堂（1 层）、酒店配套用房与商铺（2～5 层）、办公用房（6～31 层）、酒店客房（32～44 层）、酒店健身房与顶层餐厅（45～46 层）；裙楼为酒店配套，地上3 层（局部4 层），其与塔楼不设缝，塔楼与裙楼地下室连成一体，地下共计3 层。

3.2 结构设计参数

本项目结构设计基准期、设计使用年限均为50 a，结构设计主要参数见表1。

表1 本项目结构设计主要参数

3.3 结构不规则情况

本项目结构高度为超B 级，共有3 项一般不规则项，具体如下：

1）塔楼2～3 层最大弹性水平位移，超过楼层两端弹性水平位移均值1.2 倍，楼层偏心率超过0.15（偏置裙楼）；结构首层楼板局部有效宽度不达总宽度的1/2，开洞面积超过总面积30%。由此，共计存在2 项符合平面不规则判断原则。

2）塔楼31 层的增高存在突变的情况（突变至5.5 m），侧向刚度比不满足《高规》和《抗规》的要求。由此，存在1 项符合竖向不规则判断原则。

3.4 结构性能目标

综合考虑抗震设防与场地条件诸多因素，本项目将结构性能目标设定为C～D。C 级性能目标要求结构在中震、大震作用下分别满足第3、4 抗震性能水准，结构中度损坏；D 级性能目标是最低等级，要求结构在中震、大震作用下分别满足第4、5 抗震性能水准，结构有较严重损坏，但不致倒塌或危及生命。本项目具体抗震性能目标见表2。

表2 本项目抗震性能设计目标

4 不规则高层建筑结构设计要点

4.1 结构方案设计

本工程为框架-核心筒结构体系，构成双重抗侧力结构（见图1）。

图1 双重抗侧力结构体系示意图

4.1.1 扭转位移比调整

本工程塔楼与裙楼不设防震缝，裙楼偏置塔楼一侧，底部楼层扭转位移比μ＞1.4，且采用常规手段对偏心距进行调整，无法减小转位移比[4]。经分析，本工程竖向体型收进，地震作用与结构刚度在裙楼部分与塔楼标准层存在差异。

经分析，假设μ 值与以下因素相关：刚度、质量、地震力、裙楼部分刚度、地震力等。经由分析显示，只对相关楼层结构构件刚度调整时，对结构质量分布、总质量的影响较小，且对整体结构周期影响不大[5]。在结构设计中，μ 值可分为3 种情况：（1）无偏心μ0；（2）正偶然偏心μ1；（3）负偶然偏心μ2。以4层为例，初步计算显示μ1＞μ0＞μ2，也就是μ1为最不利工况，经计算显示增加裙楼刚度可减小μ1。本工程经由调整后最终实现μ＜1.4。

4.1.2 结构布置

本工程中塔楼、核心筒平面均呈长方形，结构高宽比分别为6.4、14.9（最大），各个构件布置如下：

1）框架柱：采用型钢混凝土柱（1～22 层，其中21～22 层为过渡层，内柱按构造含钢率设计）+钢筋混凝土柱（23～46 层）；柱体截面由底层1 700 mm×1 700 mm 逐渐过渡至800 mm×800 mm；底部柱轴压比≤0.70（短柱≤0.65）；混凝土强度等级为C60（基础～15 层）+C40（16～46 层）。

2）核心筒剪力墙：底层至屋顶层，外墙墙厚呈850～400 mm，内墙墙厚呈600～250 mm；剪力墙轴压比≤0.5；混凝土强度等级与框架柱一致。

3）框架梁：底部4 层边框架梁高1 000 mm，其余800 mm；内框架梁高700～800 mm；次梁高600 mm。

4）楼板：地下室顶板厚度180 mm（局部250 mm），其他楼板120 mm；1 层、2 层楼板大开洞，局部加厚至150 mm。

4.1.3 基础设计

根据项目情况，塔楼、裙楼设计为墙柱下桩筏基础、天然基础加抗拔桩，同时考虑沉降差异，塔楼、裙楼与周边地库间设沉降后浇带。

4.2 结构整体计算分析

本项目选用MIDAS Building、YJK 软件对结构开展小震振型分解反应谱（CQC）分析，2 种计算方法结果一致。分析显示，最小层刚度比按《高规》和《抗规》从严控制，存在侧向刚度超限问题；选用YJK 软件对结构开展小震弹性时程分析，根据分析显示7 组时程波作用下，楼层剪力均值在39～46 层超过大于CQC 法计算结果，采用CQC 法时，对此部分楼层确定地震力放大系数为1.1～1.3；结构首层楼板大开洞，实施专项受力性能分析，判断中震作用下首层楼板正应力大部分区域小于C35 混凝土轴心抗拉强度标准值2.2 MPa，个别应力集中点、局部核心筒周边区域，楼板应力较大，对此考虑采取针对性加强措施，调整楼板厚度、配筋[6，7]。如图2 所示，A 区、B 区、C 区首层楼板厚度控制在130 mm、150 mm、150 mm，双层双向配筋，附加单层配筋率≥0.275%、≥0.55%、≥0.275%。