不規(guī)則高層建筑結構的抗震研究

吳衛(wèi)華 尹俊紅 萬海濤

（河南大學土木建筑學院 河南開封 475004）

1 高層建筑抗震結構設計的基本原則

結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能。結構構件應遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件、強底層柱（墻）”的原則；對可能造成結構的相對薄弱部位，應采取措施提高抗震能力；承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。

應盡可能設置多道抗震防線。一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接協(xié)同工作。強烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會因損傷積累導致倒塌?？拐鸾Y構體系應有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構抗震性能，避免大震時倒塌。

對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力。構件在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎。要防止在局部上加強而忽視了整個結構各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層（部位），使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，是提高結構總體抗震性能的有效手段。

2 規(guī)則高層建筑結構抗震分析

2.1 工程概況

本文選取的大廈主體結構為地下一層，地上十層，集辦公室、試驗及展示等功能于一體。建筑底層層高為5.7m，2層層高為5.3m，斜屋面最高處為50m。建筑總面積為3萬m2，該建筑主體結構采用的是現(xiàn)澆框架———剪力墻結構體系，抗震等級為三級，樓屋面采用的是現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結構。

2.2 工程結構抗震設計

（1）設計參數(shù)。對于該工程的設計，結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級。抗震設防烈度為Ⅵ度。

（2）設計具體措施。根據(jù)抗震設計要求，并立足于工程基本特點，在抗震設計中，可以從如下幾個方面入手，以此來提高建筑物整體抗震性能：①在結構設計中，設計師可以利用殼元理論作為構造墻元模型，同時，采用廣義協(xié)調(diào)墻元模型，對高層結構進行充分分析，形成立體、直觀的結構模型，幫助設計師進行觀察，高效處理結構細節(jié)；②調(diào)整建筑質(zhì)心、剛心位置，在底部1～3層之間，采用增加剪力墻、調(diào)整墻體厚度的方式，使得建筑質(zhì)心與剛心之間能夠盡可能接近；③在U型平面底部增加一定數(shù)量的剪力墻，將扭轉(zhuǎn)位移比控制在1.5之內(nèi)；④針對3層以上的南立面外傾，要考慮到外傾柱對梁柱的荷載，并進行計算，使得外傾柱能夠在結構內(nèi)產(chǎn)生最大拉力，保持在398kN；⑤工程內(nèi)的多數(shù)框架結構以單跨形式存在，能夠在一定程度上提高工程抗震性能。與此同時，由于框架柱傾覆彎矩超過50%，故框架的抗震等級可以設置為三級。

2.3 關鍵結構設計分析

（1）上部結構斜柱、斜框架設計。針對平面框架的計算，由于存在斜柱，使得沿著框架梁方向，會產(chǎn)生一定的附加軸向應力。對于應力的控制應設計兩根直柱。在設計中，采用PK、SATWE軟件對帶斜柱框架進行計算，得出的結果存在一定差別。前者在計算中，僅考慮到自身框架受力與形變，計算內(nèi)力較大，故計算出來的結果用到設計中，能夠提高結構安全性，使建筑結構保持穩(wěn)定。在空間模型內(nèi)，由于存在平面剛度較大的樓板，使得各框架之間會相互作用，重新分布附加水平力。如果在中間榀設置剪力墻后，那么其面內(nèi)剛度會超過框架柱，平面內(nèi)剛度較大的樓板會將水平力傳遞出去。

（2）抗傾覆設計。本工程從3層開始呈現(xiàn)U型形態(tài)，整體結構通過斜框架向外傾斜9°，同時從5層開始的U型平面45°開始進行斜向收縮，促使結構質(zhì)心向上、向外移動，在很大程度上增加了傾覆力。為了優(yōu)化抗震設計，可以采取如下措施。①加強對上部結構的拉結與斜向框架抗震構造，充分考慮各方面影響因素，確保斜柱拉力能夠保持在協(xié)調(diào)狀態(tài)。②確保上下層連接，通過45°斜屋面，構建斜向框架結構，使得主體結構之間能夠保持上下層之間的連接，從而優(yōu)化建筑結構受力效果。③對于上部結構來說，其抗傾覆最大的平衡點就是地下室。結構設計過程中，應加強對其整體傾覆力的計算，了解整體傾覆力對結構產(chǎn)生的影響，并對地下室頂板整體剛度及配筋進行相應的調(diào)整和處理。

3 結論

不規(guī)則高層建筑作為城市發(fā)展、建筑水平提升的具體表現(xiàn)，其能夠以獨特的形態(tài)呈現(xiàn)出來，符合當代人的審美需求。但值得注意是，不規(guī)則高層建筑與一般建筑不同，要加強抗震設計，確保建筑工程在使用中能夠保持穩(wěn)定、安全，且能夠延長建筑工程使用壽命。因此在設計中，設計師要充分考慮實際情況，加強對細節(jié)的研究，實現(xiàn)工程的抗震設計。針對平面的設計，可以考慮布置剪力墻，控制整體結構扭轉(zhuǎn)位移比能夠在規(guī)范范圍之內(nèi)。同時，針對豎向的抗震設計，要加強對剪力墻位置與厚度的控制，調(diào)整剛心位置，盡可能與質(zhì)心相接近。隨著建筑技術不斷發(fā)展，我們還要加大研究力度，不斷提高不規(guī)則建筑抗震設計水平，從而促使建筑工程綜合效益得到充分發(fā)揮。

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