平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)思考

■李信澤 ■海南珠江建筑設(shè)計(jì)院有限公司，海南 ?？?570125

伴隨著改革程度的不斷加深，我國已經(jīng)在諸多行業(yè)、領(lǐng)域取得相應(yīng)的成績，而其中又以建筑行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢最為良好。從當(dāng)前來看，各大城市中高層建筑物不斷拔地而起。在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的過程中，平面布置應(yīng)當(dāng)切實(shí)考慮到規(guī)則性問題，如果使用平面不規(guī)則的設(shè)計(jì)方法，便會(huì)使平面剛度中心與質(zhì)量中心不能處于相同的點(diǎn)上，所以在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)的過程中應(yīng)該重點(diǎn)考慮扭矩的問題。

1 工程概況

某工程為一座集辦公樓、酒店為一體的綜合大廈，該建筑地下有2層，地上25 層，底部裙房4 層，總面積為45000m2，總高度97.8m，地下為車庫，首層則是酒店和商鋪，2 到4 層時(shí)酒店餐廳，5 到12 層為酒店客房，12 層以上為辦公樓。此大廈的特征是豎向功能變化多。與此同時(shí)，大樓為丙類建筑物，使用年限是50 年，抗震強(qiáng)度7 級(jí)，剪力墻和框架梁抗震等級(jí)2 級(jí)，框架柱抗震等級(jí)1 級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)甲級(jí)，應(yīng)用強(qiáng)度大的預(yù)應(yīng)力管樁，結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)用SATWE 軟件完成，下圖為調(diào)整之后結(jié)構(gòu)裙房和標(biāo)準(zhǔn)層的平面示意圖。

圖1 調(diào)整后的結(jié)構(gòu)裙房和標(biāo)準(zhǔn)層平面示意圖

2 針對不規(guī)則情況進(jìn)行處理的方法

大樓平面形體是Z 字形，L/Bmax=0.56 ＞0.35，為不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)，豎向存在立面縮進(jìn)，層高差別大。通過初步運(yùn)算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震影響下的位移角可達(dá)到規(guī)定的要求，雖然可達(dá)到規(guī)范需要，然而第二周期扭轉(zhuǎn)因子已經(jīng)很大，達(dá)到0.34，這說明此結(jié)構(gòu)抗扭剛度顯然不夠。與此同時(shí)，此結(jié)構(gòu)在考慮偶然偏心情況下的扭轉(zhuǎn)位移比X 向和Y 向都大于1.30，甚至還有1.40 的，此結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比較嚴(yán)重，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，裙房4 層時(shí)薄弱層，剛度低于上3 層平均剛度的近八成，首層是軟弱層，抗剪承載力達(dá)不到上層的八成，此結(jié)構(gòu)不規(guī)則位置為5 項(xiàng)，屬嚴(yán)重不規(guī)則結(jié)構(gòu)，此樓上下層功能較多，地下室是車庫，業(yè)主要求有較大空間布置墻體受到約束，2 到4 層時(shí)酒店多功能廳，需空間寬敞，布置墻體受約束，5 到12 層時(shí)酒店客房，不允許在建筑外側(cè)設(shè)置剪力墻，12 以上是辦公樓，中間也很難布置墻體，很多功能使此樓中部和邊上很難存在墻體上下貫通。

此樓設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵工作為調(diào)整周期比及扭轉(zhuǎn)位移比，因此樓平面凹凸不規(guī)則，2 個(gè)核心筒都處于兩端，剛度十分的不均勻，剛心和質(zhì)心有很大的偏差，在地震的影響下容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞?？刂浦芷诒群涂刂莆灰票认嗤?，但控制周期比的側(cè)重點(diǎn)在于測向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度間的相對性，主要目的是抗側(cè)力平面布置更加合理、有效，促使建筑結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。所以，控制周期比的主要目的是使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的布置更加均勻、合理，而不是讓結(jié)構(gòu)更具有剛度。若是平動(dòng)第一周期和扭轉(zhuǎn)第一周期相對接近，因振動(dòng)藕連作用，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效果應(yīng)該會(huì)變化的較為明顯。然而，此大廈第二周期扭轉(zhuǎn)因子為0.34，一般認(rèn)為其扭轉(zhuǎn)剛度較弱，需要進(jìn)行調(diào)整，不可只認(rèn)為平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)第一周期的比值低于0.9 就可以，同時(shí)還需要考慮平動(dòng)周期內(nèi)的扭轉(zhuǎn)因子，如若不然在地震較大時(shí)結(jié)構(gòu)第一周期很有可能就會(huì)是扭轉(zhuǎn)周期?？紤]到這一比如哦環(huán)節(jié)，應(yīng)該針對結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整:首先，在結(jié)構(gòu)左上方及右下方各加1 片相對較長的剪力墻，加強(qiáng)建筑物周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗扭性，同時(shí)還要把結(jié)構(gòu)剛心大幅度的推向左側(cè);其次，在右下角核心筒位置開洞，降低此處的剛度，這主要是原因這一位置核心筒有很大偏心，這使得剛度中心向左側(cè)偏移;第三，取消上部核心筒下端的1 個(gè)小核心筒，降低中間剛度，并把此核心筒連梁減弱，從而使結(jié)構(gòu)剪力墻更為均勻，這對于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比和位移比皆大有裨益。

首層高度8m，致使受剪承載力低于上層的近八成，要妥善處理抗剪承載力不夠的問題，應(yīng)該增加抗剪截面或是提升混凝土的強(qiáng)度大小，具體辦法為再首層以下每層柱截面都增加100mm，強(qiáng)厚增加50mm，混凝土強(qiáng)度增加一級(jí)，這之后受剪承載力比會(huì)在大于90%，達(dá)到基本需要。此大廈第4 層初算是薄弱層，4 層頂便是裙房屋面，擴(kuò)大裙房屋面梁截面，增加屋面板厚度，能夠有效防止薄弱層。經(jīng)過以上調(diào)整，此大廈5 項(xiàng)不規(guī)則調(diào)整成2 項(xiàng)不規(guī)則，防止了申報(bào)超限情況的發(fā)生。

3 調(diào)整前后的周期參數(shù)

參見下表1:由于1 個(gè)小核心筒被取消，剛度變低，然而調(diào)整結(jié)構(gòu)之后剛度顯然比調(diào)整之前更加均勻，同時(shí)也加強(qiáng)了抗扭剛度，扭轉(zhuǎn)位移比得到了顯著的改善，最大扭轉(zhuǎn)位移比都低于1.20，屬規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)、一個(gè)平面上顯然不規(guī)則的結(jié)構(gòu)經(jīng)過科學(xué)調(diào)整剛度，能夠使其成為規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

表1 調(diào)整前后的周期參數(shù)對比

4 抗震技術(shù)的應(yīng)用

全面分析工程實(shí)際的每一方面因素，一般應(yīng)用的抗震技術(shù)有:(1)在條件允許的情況下，盡可能增加周邊剪力墻的厚度，特別是離剛心最遠(yuǎn)的位置，把剛心及質(zhì)心的偏心率調(diào)整成最低，降低扭轉(zhuǎn)周期，把建筑結(jié)構(gòu)調(diào)整為扭轉(zhuǎn)規(guī)則的結(jié)構(gòu);(2)減弱核心筒的連梁，應(yīng)用弱連接梁進(jìn)行連接，增加平動(dòng)周期和平扭周期比;(3)科學(xué)控制墻柱的軸壓比，提升柱縱筋的配筋率及箍筋配筋率，縱筋配筋率都要擴(kuò)大一級(jí)，柱箍筋全樓進(jìn)行加密，角柱加芯柱，以此提升結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件在強(qiáng)震時(shí)抗形變水平;(4)在凹角位置設(shè)置45°的斜向鋼筋，抵抗角區(qū)應(yīng)力集中，加強(qiáng)薄弱位置的配筋與板厚;(5)雖然四層可不算作規(guī)范中的薄弱層，但是計(jì)算時(shí)依然要按照薄弱層進(jìn)行運(yùn)算，地震剪力需要乘以1.15 增大系數(shù)，并且要強(qiáng)化此樓層的墻柱配筋，提升建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中的抗形變水平。

5 結(jié)語

總而言之，對于當(dāng)前各大城市不斷出現(xiàn)的造型別致、彰顯個(gè)性的不規(guī)則建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要全面分析具體情況，集中從概念設(shè)計(jì)著手，找到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)與薄弱點(diǎn)，在工作中不斷克服不利因素，促使建筑結(jié)構(gòu)在豎向和平面科學(xué)布置結(jié)構(gòu)的剛度，防止可能出現(xiàn)的薄弱位置。與此同時(shí)，還應(yīng)強(qiáng)化薄弱位置的構(gòu)造，最終使看似不規(guī)則的建筑調(diào)整為結(jié)構(gòu)上規(guī)則的建筑。

［1］李亞娥，李志慧，王棟.平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與設(shè)計(jì)［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2008(04):11-12.

［2］秦力，裴寧波，黃依寧.平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)程分析［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009(01):02-03.

［3］任冬云，施衛(wèi)星，付磊.高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)位移比的調(diào)整［J］.低溫建筑技術(shù)，2009(10):11-12.