不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

招云杰

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410000）

1 引言

在現(xiàn)代城市發(fā)展中，高層建筑已經(jīng)成為不可或缺的一部分，在提高土地利用率等方面發(fā)揮著重要作用。然而，由于建筑高度的增加、功能的復(fù)雜化，結(jié)構(gòu)造型越來(lái)越新穎，各種不規(guī)則情況屢見(jiàn)不鮮。與規(guī)則建筑相比，不規(guī)則高層建筑在地震作用下極易發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞，由此對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，本文主要圍繞此問(wèn)題展開(kāi)詳細(xì)分析。

2 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的定義

不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)源于人們對(duì)建筑外形、功能的追求，其在達(dá)到高層建筑各種功能要求的同時(shí)，也滿足了視覺(jué)審美要求。然而，此種情況也給結(jié)構(gòu)工程師帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)心、剛心不重合，在地震作用下，極易發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形[1]。目前，根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版，以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下劃分：

1）平面不規(guī)則：包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)等情況。其中，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)要求在規(guī)定水平力作用下，樓層最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）超過(guò)兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）均值的1.2 倍；凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)要求平面凹進(jìn)尺寸超過(guò)投影方向總尺寸的30%；樓板局部不連續(xù)則為樓板尺寸、平面剛度出現(xiàn)急劇變化[2]。

2）豎向不規(guī)則：包括豎向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層承載力突變等情況。其中，豎向剛度不規(guī)則指該層側(cè)向剛度未達(dá)上一層的70%，或是未達(dá)其他3 個(gè)樓層側(cè)向剛度的80%，除了頂層、出屋面小建筑以外，局部收進(jìn)水平向尺寸超過(guò)下一層的25%；豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)主要是指豎向抗側(cè)力通過(guò)水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件朝下傳遞的結(jié)構(gòu)；樓層承載力突變是指抗側(cè)力構(gòu)件層間受剪承載力達(dá)不到上一層的80%[3]。

不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定特殊性，不僅要在規(guī)范要求內(nèi)進(jìn)行，為滿足相關(guān)造型或功能要求時(shí)，還需完成一些超出規(guī)范要求的計(jì)算與分析，打破一些常規(guī)的限制，建造出更加優(yōu)質(zhì)、可靠的工程項(xiàng)目，本文圍繞工程案例針對(duì)此展開(kāi)詳細(xì)分析。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則情況分析

3.1 工程概況

本項(xiàng)目為某綜合體建筑，由1 棟塔樓與裙樓組成，塔樓地上46 層，建筑高度為218.5 m，分為大堂（1 層）、酒店配套用房與商鋪（2～5 層）、辦公用房（6～31 層）、酒店客房（32～44 層）、酒店健身房與頂層餐廳（45～46 層）；裙樓為酒店配套，地上3 層（局部4 層），其與塔樓不設(shè)縫，塔樓與裙樓地下室連成一體，地下共計(jì)3 層。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期、設(shè)計(jì)使用年限均為50 a，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

3.3 結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)高度為超B 級(jí)，共有3 項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng)，具體如下：

1）塔樓2～3 層最大彈性水平位移，超過(guò)樓層兩端彈性水平位移均值1.2 倍，樓層偏心率超過(guò)0.15（偏置裙樓）；結(jié)構(gòu)首層樓板局部有效寬度不達(dá)總寬度的1/2，開(kāi)洞面積超過(guò)總面積30%。由此，共計(jì)存在2 項(xiàng)符合平面不規(guī)則判斷原則。

2）塔樓31 層的增高存在突變的情況（突變至5.5 m），側(cè)向剛度比不滿足《高規(guī)》和《抗規(guī)》的要求。由此，存在1 項(xiàng)符合豎向不規(guī)則判斷原則。

3.4 結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)

綜合考慮抗震設(shè)防與場(chǎng)地條件諸多因素，本項(xiàng)目將結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)設(shè)定為C～D。C 級(jí)性能目標(biāo)要求結(jié)構(gòu)在中震、大震作用下分別滿足第3、4 抗震性能水準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)中度損壞；D 級(jí)性能目標(biāo)是最低等級(jí)，要求結(jié)構(gòu)在中震、大震作用下分別滿足第4、5 抗震性能水準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)有較嚴(yán)重?fù)p壞，但不致倒塌或危及生命。本項(xiàng)目具體抗震性能目標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 本項(xiàng)目抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)

4 不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本工程為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，構(gòu)成雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。

圖1 雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系示意圖

4.1.1 扭轉(zhuǎn)位移比調(diào)整

本工程塔樓與裙樓不設(shè)防震縫，裙樓偏置塔樓一側(cè)，底部樓層扭轉(zhuǎn)位移比μ＞1.4，且采用常規(guī)手段對(duì)偏心距進(jìn)行調(diào)整，無(wú)法減小轉(zhuǎn)位移比[4]。經(jīng)分析，本工程豎向體型收進(jìn)，地震作用與結(jié)構(gòu)剛度在裙樓部分與塔樓標(biāo)準(zhǔn)層存在差異。

經(jīng)分析，假設(shè)μ 值與以下因素相關(guān)：剛度、質(zhì)量、地震力、裙樓部分剛度、地震力等。經(jīng)由分析顯示，只對(duì)相關(guān)樓層結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度調(diào)整時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布、總質(zhì)量的影響較小，且對(duì)整體結(jié)構(gòu)周期影響不大[5]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，μ 值可分為3 種情況：（1）無(wú)偏心μ0；（2）正偶然偏心μ1；（3）負(fù)偶然偏心μ2。以4層為例，初步計(jì)算顯示μ1＞μ0＞μ2，也就是μ1為最不利工況，經(jīng)計(jì)算顯示增加裙樓剛度可減小μ1。本工程經(jīng)由調(diào)整后最終實(shí)現(xiàn)μ＜1.4。

4.1.2 結(jié)構(gòu)布置

本工程中塔樓、核心筒平面均呈長(zhǎng)方形，結(jié)構(gòu)高寬比分別為6.4、14.9（最大），各個(gè)構(gòu)件布置如下：

1）框架柱：采用型鋼混凝土柱（1～22 層，其中21～22 層為過(guò)渡層，內(nèi)柱按構(gòu)造含鋼率設(shè)計(jì)）+鋼筋混凝土柱（23～46 層）；柱體截面由底層1 700 mm×1 700 mm 逐漸過(guò)渡至800 mm×800 mm；底部柱軸壓比≤0.70（短柱≤0.65）；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60（基礎(chǔ)～15 層）+C40（16～46 層）。

2）核心筒剪力墻：底層至屋頂層，外墻墻厚呈850～400 mm，內(nèi)墻墻厚呈600～250 mm；剪力墻軸壓比≤0.5；混凝土強(qiáng)度等級(jí)與框架柱一致。

3）框架梁：底部4 層邊框架梁高1 000 mm，其余800 mm；內(nèi)框架梁高700～800 mm；次梁高600 mm。

4）樓板：地下室頂板厚度180 mm（局部250 mm），其他樓板120 mm；1 層、2 層樓板大開(kāi)洞，局部加厚至150 mm。

4.1.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目情況，塔樓、裙樓設(shè)計(jì)為墻柱下樁筏基礎(chǔ)、天然基礎(chǔ)加抗拔樁，同時(shí)考慮沉降差異，塔樓、裙樓與周邊地庫(kù)間設(shè)沉降后澆帶。

4.2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

本項(xiàng)目選用MIDAS Building、YJK 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)開(kāi)展小震振型分解反應(yīng)譜（CQC）分析，2 種計(jì)算方法結(jié)果一致。分析顯示，最小層剛度比按《高規(guī)》和《抗規(guī)》從嚴(yán)控制，存在側(cè)向剛度超限問(wèn)題；選用YJK 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)開(kāi)展小震彈性時(shí)程分析，根據(jù)分析顯示7 組時(shí)程波作用下，樓層剪力均值在39～46 層超過(guò)大于CQC 法計(jì)算結(jié)果，采用CQC 法時(shí)，對(duì)此部分樓層確定地震力放大系數(shù)為1.1～1.3；結(jié)構(gòu)首層樓板大開(kāi)洞，實(shí)施專項(xiàng)受力性能分析，判斷中震作用下首層樓板正應(yīng)力大部分區(qū)域小于C35 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.2 MPa，個(gè)別應(yīng)力集中點(diǎn)、局部核心筒周邊區(qū)域，樓板應(yīng)力較大，對(duì)此考慮采取針對(duì)性加強(qiáng)措施，調(diào)整樓板厚度、配筋[6，7]。如圖2 所示，A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)首層樓板厚度控制在130 mm、150 mm、150 mm，雙層雙向配筋，附加單層配筋率≥0.275%、≥0.55%、≥0.275%。

圖2 首層樓板抗震加強(qiáng)分區(qū)示意圖

4.3 結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用等效線性方法，驗(yàn)算顯示墻體、框架柱滿足抗震性能目標(biāo)要求；選用SAUSAGE 軟件開(kāi)展大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，結(jié)果顯示可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”抗震設(shè)防目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代城市發(fā)展中，為滿足一些造型或是特定功能需求，建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水平或豎向布置不規(guī)則的情況。不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)特殊，存在抗震不利的問(wèn)題，必須規(guī)范、科學(xué)地進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置與計(jì)算分析，并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，保證結(jié)構(gòu)使用安全可靠，滿足抗震性能目標(biāo)要求。