不规则高层建筑结构设计要点分析

2022-06-08郑增坤蔡观锋

科海故事博览 2022年15期

郑增坤蔡观锋

（1.杭州华正建筑设计院有限公司，浙江杭州 310000； 2.浙江省建筑设计研究院，浙江杭州 310000）

城市现代化发展中，高层建筑成为重要工程方式，能够有效提升土地利用率。但是，建筑高度持续增加，功能复杂，结构造型新颖度强，开始出现较多不规则结构。相比于规则建筑，不规则高层建筑遭受地震影响后，会出现明显结构破坏问题，所以对建筑结构设计提出严格要求。

1 高层建筑不规则结构的定义

不规则结构，是人们对建筑外形与功能的全新追求，不仅可以达到建筑功能要求，也可以满足视觉审美要求，但是不规则结构对结构工程师的挑战要求高。由于不规则结构刚心与质心不重合，受到地震影响后，会出现明显扭转与变形问题[1]。按照高层建筑混凝土结构要求，对不规则结构进行以下分类：

第一，平面不规则：涉及凹凸、扭转不规则，楼板不连续等问题。扭转不规则，要求在规定水平力作用下，楼层最大弹性水平位移，明显高于两端弹性水平位移均值1.2 倍。凹凸不规则结构，要求平面凹凸进尺寸大于投影尺寸30%。楼板不规则，表现为楼板尺寸、平面刚度急速变化。其一，平面质量偏心：高层建筑层数多，荷载大，所以平面质量偏心，会影响结构稳固性。平面不规则结构设计中，由于结构构件设计所致平面质量偏心，若不注重处理质量偏心问题，将无法满足规范要求，还会影响结构施工与建筑安全。针对该类问题，应用增加边榀结构方式，降低偏心对结构抗震性能、稳固性的影响。按照相关要求，当建筑物与地震方向垂直时，以投影长度5%为质量偏心计算，减少质量偏心的不良影响。其二，平面刚度偏心：建筑平面刚度，涉及平面内刚度、外刚度。其中，内刚度和荷载方向相同，外刚度垂直于荷载方向。平面刚度偏心，是建筑结构构件设计时，模型差异大所致。刚度偏心，也会受到构件荷载不均衡、施工环境影响。当平面刚度偏心较小时，处理难度不大，并且不会影响建筑结构稳定性。由于建筑无法避免平面刚度偏心问题，所以必须优化结构设计，减少平面刚度偏心量。其三，平面强度偏心：平面应力与应变，源于空间简化概念。平面应力，是所有应力处于平面内；平面应变，是所有应变处于平面内。通常情况下，平面质量偏心、刚度偏心属于常见偏心问题，但是技术人员不太关注强度偏心的不良影响。在工程实践中，配制混凝土、钢筋、钢构件的稳定性不足，致使结构设计强度、实际强度的差异大。构件截面位置出现强度偏心，技术人员无法控制该类问题，因此需要采取措施进行优化。

第二，竖向不规则：涉及竖向抗侧力、竖向刚度不规则，楼层承载力突变。竖向刚度不规则，是该层侧向刚度不满足上层70%，或者没有达到其他楼层侧向刚度80%。除过顶层、出屋面小建筑外，局部收进水平向尺寸，大于下一层25%。竖向抗侧力不连续，是竖向抗侧力利用水平转换构件，逐渐向下传输结构。楼层承载力突变，是抗侧力构建层间，受到剪承载力不满足上层80%。不规则建筑结构设计，具备特殊性要求，必须满足规范要求、造型与功能要求，同时要进行规范外计算分析，消除常规限制，建设优质、可靠项目[2-3]。

2 高层建筑不规则结构的标准

针对不规则高层建筑来说，整体设计复杂度大。在规划设计中，不合理处理整体结构，就会影响高层建筑结构稳定性，从而影响建筑施工与运营寿命。高层建筑设计领域法律的出台，提升了不规则高层建筑结构设计要求。按照高层建筑抗震规范与要求，不规则高层建筑结构划分为一般类、特殊类、严重类。一般类不规则，满足相关标准要求，遵循规范要求加强设计质量。特殊类，经过专家论证处理后，综合考量项目结构设计，遵循抗震要求、结构设计要求，落实各项加强措施。严重类不规则，是不满足规范标准，必须进行整改与调整的设计。所以在不规则高层建筑结构设计期间，应当规避严重不规则问题，保证结构不规则度满足规范要求。

3 高层建筑不规则结构设计要点

不规则高层建筑结构设计，应当按照不规则类型与方法实施，采取科学措施予以处理。不规则高层建筑结构设计中，可以采取以下措施：

3.1 减小结构相对偏心距

针对高层建筑来说，减小相对偏心距，可以降低建筑结构逆转效应。减少偏心距方法，涉及调整不规则平面布局、减小楼层位移比、调整结构抗侧力构件。建筑偏心距，通常与扭转效应呈现线性关系，可采取科学措施降低偏心距，控制结构扭转效应，加强建筑结构稳固性。注重调整结构不规则布局，做好科学化计算，选择最佳平面布局方案，科学控制相对偏心距。注重调整对抗侧力构件，确保建筑整体结构刚度分布均衡，加强建筑结构质量。

3.2 调整结构抗侧、抗扭刚度

按照相关学者研究可知，建筑结构扭转效应、结构周期比平，具备线性关系。按照此种特性，能够调整结构抗侧刚度、抗扭刚度比，降低结构扭转效应。为了实现该类目的，应用加强、加厚剪力墙方式，也可以在建筑结构边上方拉设梁。

3.3 加强抗扭构件抗剪力

在不规则高层建筑中，抗震性能是通过审核的重点。为了优化不规则高层建筑结构设计，必须加强建筑抗震性能。为了加强建筑抗震性能，不能只调整结构布设。地震波所致建筑破坏不规则，不同时期地震波形式不同，地震波对建筑不规则性作用力，会增加建筑构件剪力，当建筑构件问题较多时，则会破坏建筑性能。

3.4 防震缝设计

防震缝，可以使建筑结构成为独立结构单元，有助于加强建筑结构稳固性。高层建筑设计中，防震缝所发挥出的作用效果显著。高层建筑防震缝，按照不同建筑结构设计，利用防震缝设计，可以减少地震对结构的不良影响。在地震灾害中，因地震波所致邻近基础结构破坏，则防震缝可以控制破坏力传输，形成沉降缝，防止建筑坍塌[4]。

4 不规则高层建筑结构设计实践

4.1 工程概况

某地区综合体建筑，由塔楼与裙楼组成。塔楼地上国有45 层，建筑高度为207.4m，包括大厅、办公用房、配套用房、客房、餐厅等。塔楼不设缝，与裙楼地下室为一体建筑，地下建筑共为3 层。该建筑为典型的不规则结构建筑，因此需要做好详细规划与设计。

4.2 结构设计参数

在此次工程项目中，设计基准期、使用年限为50年，结构设计参数如表1 所示：

表1 结构设计参数

4.3 结构不规则情况

该工程项目结构高度为B 级，包含一般不规则项2 项：

第一，塔楼二层、三层弹性水平位移，超过楼层两端弹性水平位移值1.2 倍，楼层偏心率大于0.15。结构首层楼板有效宽度，不满足总宽度50%，开洞面积大于总面积30%。所以，存在两项满足平面不规则标准。

第二，塔楼31 层高度突变，侧向刚度比不满足标准要求，所以有1 项不满足竖向不规则要求。

4.4 结构性能目标

深入分析场地条件、抗震设防因素，项目将结构性能目标设置为C～D。其中，C 级性能目标：建筑结构在中震、大震影响下，可以满足3 级、4 级抗震要求；D 级性能目标，等级要求最低，建筑结构在中震、大震影响下，可以满足4 级、5 级抗震要求，结构损坏严重，但是不会出现倒塌、危害生命等问题。针对多遇地震，层间位移角限值为1/615。核心筒底部、框架柱、连梁、框架梁均为弹性。设防地震，核心筒底部、框架柱为抗剪弹性，连梁为可弯曲屈服，框架梁为部分可弯曲屈服。针对罕见地震，层间位移角限值为1/100，核心筒底部、框架柱满足抗剪截面控制要求，连梁为允许弯曲损坏，框架梁为可弯曲屈服。

4.5 结构方案设计

此次工程项目为框架-核心筒结构体系，形成双重抗侧力结构。

4.5.1 调整扭转位移比

工程塔楼和裙楼，不设置防震缝。裙楼偏置塔楼一侧，底部楼层扭转位移比大于1.4，通过常规方式调整偏心距，不能减小转位移比。通过相关分析可知，工程竖向体型收进，塔楼标准层、裙楼部分位置的地震作用、结构刚度差异大。按照相关分析可知，假设扭转位移比与刚度、资粮、裙楼刚度、地震力因素相关，只调整楼层结构构件刚度，不会影响结构总质量、质量分布，也不会影响整体结构周期。建筑结构设计中，扭转位移比分为无偏心、正偶然偏心、负偶然偏心。以四层为例，计算表示正偶然偏心>无偏心>负偶然偏心，因此正偶然偏心工况不佳，通过增加裙楼刚度，能够减小正偶然偏心。工程经过调整后，可以确保扭转位移比小于1.4。

4.5.2 结构布置

在工程项目中，塔楼、核心筒平面为长方形，结构高宽比为14.9、6.4，构件布设如下：框架柱：应用型钢混凝土柱，建筑20-21 层为过渡层，内柱以构造含钢率为主；钢筋混凝土柱；柱体截面则由（1700×1700）mm逐渐过渡到（800×800）mm；底部柱轴压比小于0.7；混凝土强度为C60 与C40。框架梁：底部边框架梁高度为1000mm，其余位置高度为800mm，内框架梁高度为700mm～800mm，次梁高度为600mm。核心筒剪力墙：底层至屋顶层，外墙厚度为400mm～850mm，内墙厚度为250mm～600mm，剪力墙轴压比小于0.5，混凝土强度等级为C40。楼板：地下室顶板厚度为175mm，其他楼板厚度为110mm。一层与二层楼板大开洞，局部厚度为140mm。

4.5.3 基础设计

按照工程概况，塔楼、裙楼设计为天然基础、墙柱下桩筏基础、抗拔桩，分析沉降差异。裙楼、塔楼、地库间，设置沉降后浇带[5]。

4.6 计算整体结构

此次工程项目应用标准化计算软件，分析小震灾害下，振型分解反应谱，两种计算方法的结果相同。按照分析结果显示，最小层刚度比，遵循标准规范控制，出现侧向刚度超限问题。应用YJK 标准软件分析小震弹性时程，按照结果显示，在时程波影响下，楼层剪力平均值为39-45 层，明显大于CQC 计算结果。应用CQC 计算方法时，部分楼层地震力放大系数为1.1-1.3。结构首层楼板大开洞，分析专项受力性能，判断中震作用下，首层楼板正应力区域，小于C35 混凝土轴心拉拔强度标准值，个别应力集中点、具备核心筒区域，楼板应力比较大，需要应用科学加强措施，优化楼板配筋与厚度。Ⅰ区首层楼板厚度130mm，Ⅱ区首层楼板厚度150mm，Ⅲ区首层楼板厚度150mm，双层双向配筋，Ⅰ区附加单层配筋率大于0.28%，Ⅱ区附加单层配筋率大于0.55%，Ⅲ区附加单层配筋率大于0.55%。