平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

（中山中瑞建筑裝飾工程有限公司，廣東 中山 528400）

平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

陳新軍

（中山中瑞建筑裝飾工程有限公司，廣東 中山 528400）

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，建筑類型和高度不斷增加，在建筑結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了一些平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，為城市建筑帶來了全新的面貌，同時也給設(shè)計人員帶來很大的挑戰(zhàn)，本文主要以具體實例分析平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，希望能為相關(guān)人員帶來些幫助。

高層建筑；平面不規(guī)則設(shè)計；構(gòu)件設(shè)計

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于平面布置需要充分考慮規(guī)則性，若是采用平面不規(guī)則設(shè)計，就會造成平面剛度中心和質(zhì)量中心不在一個點，因此在平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中需要重點考慮扭矩的問題，本文主要分析平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 高層建筑平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

高層建筑平面不規(guī)則設(shè)計產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的原因包括外來因素的干擾以及建筑本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計，外因因素的干擾，如地震波等因素的存在，導(dǎo)致地面的周期和相位不同，轉(zhuǎn)動分量的存在就會使建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。建筑自身結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生這種扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在一般的建筑結(jié)構(gòu)中，通常是把建筑結(jié)構(gòu)簡化成一種平面的模型，這種分析方法并不是說不可以，不過是不太適合使用在不規(guī)則平面設(shè)計中，這是因為建筑平面不規(guī)則設(shè)計質(zhì)量中心和剛度中心并重合。

在高層建筑平面不規(guī)則設(shè)計中，控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)需要考慮到控制指標(biāo)以及周期比等，周期的控制需要確保建筑結(jié)構(gòu)具有足夠強的抗扭剛度，位移比的控制則是反映結(jié)構(gòu)的對稱性以及質(zhì)量剛度等。

2 工程概述

圖1 1～3層結(jié)構(gòu)平面圖

某工程建筑面積11457.3m2，共21層高66.12m，地下室1層～地上3層是商業(yè)廣場，層高3.6m，以上樓層為住宅區(qū)，層高3m。工程采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用平面不規(guī)則、扭矩不規(guī)則設(shè)計，合理的剪力墻能夠提高建筑的穩(wěn)定性，需要對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的薄弱部分采取抗震構(gòu)造設(shè)計，1～3層結(jié)構(gòu)平面和4層以上結(jié)構(gòu)平面圖如圖1和圖2所示。

圖2 4層以上結(jié)構(gòu)平面圖

工程在建筑中中分是用了電梯等，嵌入剪力墻，滿足下部商場和上部民用建筑的同時，保證構(gòu)件的連續(xù)性。剪力墻在設(shè)計中，縱橫面力求平衡，提高抗震性能，為減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)需要優(yōu)化調(diào)整周邊潛力強長度以及寬度設(shè)計。地下室頂板厚180mm，采用了雙層雙向配置，配筋率0.25%。核心結(jié)構(gòu)外力剪力墻厚度從上往下分別為200、250、300、350mm，相應(yīng)的剪力墻截面尺寸為500、600、700mm。樓面設(shè)暗梁，寬度超過墻寬度至少600mm，按照框架梁計算配筋，剪力墻邊框的暗梁寬度與墻寬相等，高度是墻寬的兩倍。樓板豎向體型突出部位厚度為150mm，上下層樓板厚度為130mm，配筋率超過0.25%.

表1 振型周期參數(shù)

3 架構(gòu)整體計算

該建筑工程使用年限為50年，抗震等級為8度、第三組，預(yù)計設(shè)計地震加速度數(shù)值設(shè)定為0.2，建筑場地特征周期為0.45s，一般地震影響系數(shù)不超過0.16，最大為0.9，屬于一級抗震等級，地面粗糙度為B類設(shè)計。樓面設(shè)計依照實際情況設(shè)定為居民樓2.0kN/m2，樓梯間荷載圍為3.5kN/m2，衛(wèi)生間荷載為2.0kN/m2，陽臺荷載為2.5kN/m2，要求上人屋面荷載達到2.0kN/m2。結(jié)構(gòu)整體計算采用SATWE和PMSAP軟件計算，SATWE最大地震效應(yīng)角度角為45.285度，PMSAP計算結(jié)果與之很接近，取15個結(jié)構(gòu)計算振型，X向和Y向的有效質(zhì)量系數(shù)分別設(shè)定為98.66%、99.92%，結(jié)構(gòu)第一振型和第二陣型分別為X向平動、Y向平動，第三振型為扭轉(zhuǎn)，振型周期計算參數(shù)見表1。

風(fēng)荷載和地震作用下，滿足高規(guī)設(shè)定要求。建筑總質(zhì)量為15104.541t，X向和Y向最小建立系數(shù)分別為5.09%、5.26%，大于3.2%，滿足規(guī)定要求。在雙向震動作用下，考慮到偶然偏心因素，最大彈性層間位移與樓間平均層間位移比為1.39：1.21，滿足要求。

X向與Y向結(jié)構(gòu)各層豎向?qū)优c層之間的剛度滿足高俅，結(jié)構(gòu)豎向不存在薄弱層，地下室和一層X向和Y向的剛度比滿足要求。X向和Y向?qū)优c層之間抗剪承載力比值范圍分別在0.900～1.340、0.900～1.330，滿足要求。

4 結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計措施

在此設(shè)計中為提高薄弱地區(qū)的抗扭性能，豎向體型突變部位厚度設(shè)定為1800mm，鋼筋設(shè)計采用雙層雙向通長設(shè)計，配筋率大于0.30%.工程在4～21層民用建筑的設(shè)計中平面凸出長度為11.3m，加強凸出位置的樓板厚度和配筋率。由于此建筑的上下層之間作用不同，因此在4層以上的平面結(jié)構(gòu)部分收近高度11.1m，收進后的平面寬度為12.7m，滿足要求。

結(jié)構(gòu)薄弱層在多遇地震情況下，剪力值設(shè)計乘與最大系數(shù)，樓層剪力墻的設(shè)計采用中震不屈服分析的計算剪力。相鄰兩層之間的框架柱與剪力墻的尺寸面積相等，所采用的混凝土等級相同。為減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，剪力墻的布置要求均勻?qū)ΨQ，并在此基礎(chǔ)上加強周邊剪力墻的抗側(cè)剛度，經(jīng)過計算本工程，X向和Y向的質(zhì)量中心和剛度中心分距離別為0.01～0.07m、0.05～0.37m，對應(yīng)的建筑物邊長分別為0.27%、1.50%。

在工程設(shè)計中采用了轉(zhuǎn)角窗的設(shè)計，削弱了結(jié)構(gòu)的抗扭性能，屬于薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的局部破壞現(xiàn)象，在設(shè)計中，轉(zhuǎn)角窗的兩側(cè)設(shè)置剪力墻，加強樓板板筋的配置率，并在洞口邊緣的端柱之間設(shè)置暗梁，提高抗扭性能。

在中震不屈服的設(shè)計中，為了提高建筑結(jié)構(gòu)的塑性耗能能力，地震影響系數(shù)取最大值0.45，為了保證結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計采用彈性力時程分析法補充計算，內(nèi)置特征周期為0.45s，地震加速度是程曲線最大為70cm/s2，加速度依照最大1：0.85取值。

結(jié)語

綜上所述，本文先分析了高層建筑平面結(jié)構(gòu)不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)的扭矩問題以及控制措施，重點以具體工程為例，說明平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，隨著高層建筑的不斷發(fā)展，大量的平面不規(guī)則設(shè)計的出現(xiàn)為建筑設(shè)計帶來很大的挑戰(zhàn)，在這方面還需要重點對待，提高建筑的安全使用性。

[1]周賓.淺談復(fù)雜平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的改善——以大同市某住宅小區(qū)高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計為例[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2010，20（13）：160-162.

[2]韓輝.基于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中平面不規(guī)則問題的分析與處理[J].中外建筑，2010（05）：161-162.

[3]李亞娥，劉高峰，孫瑞祥，等.平面不規(guī)則長形高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2011，23（02）：116-119.

[4]張林麗.帝寶花園6#樓平面不規(guī)則高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012，7（29）：32-33.

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