平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

宋修月

（貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州貴陽 550000）

如今，建筑層數(shù)越來越多，高度不斷提供，而且為滿足使用要求，建筑平面結(jié)構(gòu)布置還可能出現(xiàn)不規(guī)則的情況，這無疑對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高要求?；诖耍趯嶋H設(shè)計工作中，需要根據(jù)建筑工程實際情況，制定合理可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，將平面不規(guī)則這一因素造成的影響降至最低。

1 工程概況

某高層建筑工程總建筑面積約2.7 萬平方米，整棟建筑的平面是一個等邊八字形，設(shè)1 層地下室，地上層數(shù)為33 層，在結(jié)構(gòu)建模過程中若將電梯間和大水箱都考慮在內(nèi)則為36 層，每層的層高相同，均為2.930m，建筑總高97.88m。建筑的屋頂設(shè)置有水箱，建筑中共配備三臺電梯。建筑場地的地勢相對平坦，從相關(guān)地質(zhì)勘察報告可以得出，場地范圍內(nèi)的淺層地下水主要為潛水，沒有發(fā)現(xiàn)任何污染源。該場地的地震設(shè)防烈度為Ⅶ，是典型的IV類場地。在地表下方15m 的深度范圍內(nèi)，以砂質(zhì)粉土與粉砂兩種成分為主，由于均未達到飽和，可忽略地基土液化方面的問題。以場地中地層實際分布情況為依據(jù)，該建筑工程樁基礎(chǔ)可將粉砂層作為持力層。通過對場地及其周圍環(huán)境條件的綜合考慮，該建筑樁基采用鉆孔灌注樁?？紤]到該高層建筑工程的平面不規(guī)則，不同于常規(guī)高層建筑，所以對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須根據(jù)工程的實際情況進行，以此保證設(shè)計的合理性與可行性，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)施工奠定良好基礎(chǔ)?，F(xiàn)圍繞該平面不規(guī)則高層建筑工程實際情況，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計做如下深入分析。

2 基礎(chǔ)設(shè)計

該高層建筑工程的±0.000 標高和4.950m 的絕對標高相當，建筑地下室底板的實際標高是-6.420m，底板的厚度為2000mm，頂板的厚度為250mm，地下室實際埋深在5.600m 左右，外墻的厚度相同，均為350mm。如前所述，該高層建筑的基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，采用強度等級為C35 的混凝土通過澆筑而成，設(shè)計樁長54m，設(shè)計樁徑700mm，將粉砂層作為樁基的持力層，樁端進入持力層的深度為3.2m 左右。根據(jù)相關(guān)試驗與測試結(jié)果，單樁極限承載力的標準值是6287kN，設(shè)計承載力數(shù)值是3900kN，灌注樁頂部標高是-6.320m，設(shè)計過程中主要接觸JCCAD 程序進行計算。經(jīng)計算可知，該高層建筑工程的基礎(chǔ)設(shè)計可以達到要求[1]。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標準

該高層建筑工程的主要用途為住宅，建筑類別為丙類，以建筑所在地區(qū)的抗震設(shè)計相關(guān)規(guī)程為依據(jù)，該高層建筑工程需按照Ⅶ度進行設(shè)防，抗震等級確定為二級。

3.2 結(jié)構(gòu)平面形成

為滿足工程建設(shè)方和設(shè)計單位提出的要求，每個樓層的樓板都要在三個地方進行開天井，這樣會使樓板上開出大口，產(chǎn)生與星型相類似的結(jié)構(gòu)。因結(jié)構(gòu)平面凹進側(cè)實際尺寸比投影方向上尺寸的1/3 大，水平方向凹槽為10.67m，則相同方向上的尺寸在33.37m 左右，所以開口可以達到32%。另外，平面中還存在三個大開口（除了電梯井和內(nèi)天井的開口），連接部位樓板的寬度和單元外伸長度的比值大于1.0。在四個單元當中，有三個單元的外伸長寬比在1.0 以上，導致整個結(jié)構(gòu)平面的布置都不規(guī)則，進而使樓板平面中的剛度顯著降低，影響樓蓋自身整體性，這是對結(jié)構(gòu)整體抗震有很大影響的，必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中引起結(jié)構(gòu)工程師的高度重視，制定針對性措施及時且有效地處理[2]。

3.3 樓層結(jié)構(gòu)布置

該高層建筑的上部結(jié)構(gòu)形式以剪力墻為主，采用鋼筋混凝土通過現(xiàn)澆而成，為保證結(jié)構(gòu)體系側(cè)向剛度實現(xiàn)均勻變化，墻厚需沿豎向不斷減小，這會使材料強度也不斷減小。該高層建筑地下室的外墻總厚為350mm，內(nèi)墻厚度比外墻小，為300mm，采用強度等級為C40 的混凝土；地上1 層至地上5 層的內(nèi)、外墻厚度相同，均為300mm，采用強度等級為C40 的混凝土；地上6 層至地上15 層的內(nèi)墻厚度為250mm，外墻厚度比內(nèi)墻大，為300mm，采用強度等級為C35 的混凝土；地上16 層至地上25 層的內(nèi)、外墻厚度為250mm，采用強度等級為C30 的混凝土；地上26 層至地上33 層的內(nèi)、外墻厚度為200mm，采用強度等級為C30 的混凝土[3]。

該高層建筑上部結(jié)構(gòu)所有樓層的樓板厚度相同，均為120mm，地上30 層級以上由于設(shè)計需要將10-16、A-G 軸間房與1-8、M-R 軸間房都做成大開間，按L/35 考慮，板厚最大值為220mm。通過相應(yīng)的驗算和分析，以上設(shè)計可以達到撓度和抗裂縫等方面的要求，能為之后的結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工奠定良好基礎(chǔ)。

3.4 抗震措施

考慮到該高層建筑的平面結(jié)構(gòu)實際布置并不規(guī)則，故在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，為保證結(jié)構(gòu)整體抗震性能，必須結(jié)合實際情況制定并采取合理可行的抗震措施，這些抗震措施主要包括以下幾點：

（1）在結(jié)構(gòu)布置設(shè)計過程中，應(yīng)在條件允許的情況將邊緣處梁增高，并將凸窗部位的聯(lián)梁盡量做高，在所有樓層上的開口部位都設(shè)置拉梁，以此保證結(jié)構(gòu)自身整體性，確保水平方向上的地震作用得以充分傳遞，減少或避免在地震作用和影響下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，保證結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性。

（2）建筑剪力墻處門窗洞口應(yīng)做到上下對齊，且盡量做到一通到底，以此形成明確且清晰的聯(lián)梁及墻肢。

（3）適當對樓板進行加厚處理，用于減小樓板上的開洞尺寸，進而降低由于在樓板上進行開洞對結(jié)構(gòu)抗震造成的影響。

（4）對于所有在結(jié)構(gòu)平面上突出的部分，都對其根部的梁進行增高處理，以此提高結(jié)構(gòu)完整性，保證抗震性能[4]。

（5）按照四層的間隔，在樓板上的開洞位置采用樓板連接，當初算結(jié)果不滿足要求時，可采用這一措施進行處理。

3.5 計算分析

結(jié)構(gòu)計算主要采用以下兩種程序：SATWE 與PMSAP，同時采用TAT 對比?？紤]到該高層建筑的平面結(jié)構(gòu)為不規(guī)則形式，所以為保證計算模型與實際情況相符，在計算時需將各個樓層都定義成彈性樓板，以此減小誤差，同時充分考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)。

通過對比，采用PMSAP 進行計算得出的結(jié)果和采用SATWE計算得到的結(jié)果十分接近，根據(jù)不同參數(shù)結(jié)果可以看出，PMSAP模型對應(yīng)的剛度結(jié)果只比SATME 略高，其原因主要為PMSAP采用的是多邊形單元，在計算過程中可進入整體結(jié)構(gòu)當中進行分析，充分考慮了各樓層及構(gòu)件之間存在的耦合作用，使結(jié)構(gòu)剛度得以增大。而SATWE 除了考慮彈性樓板，還能對樓板平面以內(nèi)和以外剛度進行計算，所以兩者在計算結(jié)果上存在一定差別，但差別不大。

因該高層建筑的結(jié)構(gòu)布置和抗側(cè)剛度在豎直方向上的分布相對均勻，而且沒有產(chǎn)生明顯變化，通過對地震與風荷載持續(xù)作用下位移數(shù)據(jù)進行的分析，內(nèi)力和位移都沿著豎直方向發(fā)生變化，但沒有突變。另外，由于電梯井處是一個筒體，受地震作用后，其側(cè)移曲線為彎剪形。對于地震作用條件下的最大層間位移和層高的比值，通過復核都在1/1000 以內(nèi)，最大頂點位移和總高的比值，通過復核都在1/1100 以內(nèi)。對于風荷載作用條件下的最大層間位移和層高的比值，通過復核都在1/1100 以內(nèi)，而最大頂點位移和總高的比值，通過復核都在1/1200 以內(nèi)。對于位移達到最大的樓層，其端角點位移和質(zhì)心位置的比值，通過復查都在1.4 之內(nèi)。

對于平面結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則的建筑，尤其是高層建筑，應(yīng)按照抗震設(shè)計規(guī)范要求做好動力時程分析，在多遇地震條件下做好補充計算。該高層建筑工程主要模擬四條地震波。通過動力時程分析可知，受多遇地震作用后，配筋值可以達到設(shè)計和規(guī)范提出的要求。在地震作用條件下，樓層的層間位移，水平方向不超過71.2mm，豎直方向不超過66.3mm；位移角，水平方向不超過1/1151rad，豎直方向不超過1/1223；反應(yīng)力，水平方向不超過1633.1kN，豎直方向不超過1630.9kN；剪力，水平方向不超過22404.6kN，豎直方向不超過21705.5kN；彎矩，水平方向不超過1450468kN·m，豎直方向不超過1433915kN·m。

4 結(jié)語

綜上所述，不規(guī)則平面結(jié)構(gòu)在當前高層建筑中越來越常見，為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和建筑安全性，必須進行專門的設(shè)計。目前，該平面不規(guī)則高層建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)順利完成，且經(jīng)計算分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足要求，達到預期效果，所用設(shè)計方案合理可行，值得類似高層建筑工程參考借鑒。