不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點分析

鄭增坤 蔡觀鋒

（1.杭州華正建筑設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310000； 2.浙江省建筑設(shè)計研究院，浙江 杭州 310000）

城市現(xiàn)代化發(fā)展中，高層建筑成為重要工程方式，能夠有效提升土地利用率。但是，建筑高度持續(xù)增加，功能復雜，結(jié)構(gòu)造型新穎度強，開始出現(xiàn)較多不規(guī)則結(jié)構(gòu)。相比于規(guī)則建筑，不規(guī)則高層建筑遭受地震影響后，會出現(xiàn)明顯結(jié)構(gòu)破壞問題，所以對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出嚴格要求。

1 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的定義

不規(guī)則結(jié)構(gòu)，是人們對建筑外形與功能的全新追求，不僅可以達到建筑功能要求，也可以滿足視覺審美要求，但是不規(guī)則結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)工程師的挑戰(zhàn)要求高。由于不規(guī)則結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心不重合，受到地震影響后，會出現(xiàn)明顯扭轉(zhuǎn)與變形問題[1]。按照高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)要求，對不規(guī)則結(jié)構(gòu)進行以下分類：

第一，平面不規(guī)則：涉及凹凸、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，樓板不連續(xù)等問題。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，要求在規(guī)定水平力作用下，樓層最大彈性水平位移，明顯高于兩端彈性水平位移均值1.2 倍。凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)，要求平面凹凸進尺寸大于投影尺寸30%。樓板不規(guī)則，表現(xiàn)為樓板尺寸、平面剛度急速變化。其一，平面質(zhì)量偏心：高層建筑層數(shù)多，荷載大，所以平面質(zhì)量偏心，會影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計所致平面質(zhì)量偏心，若不注重處理質(zhì)量偏心問題，將無法滿足規(guī)范要求，還會影響結(jié)構(gòu)施工與建筑安全。針對該類問題，應(yīng)用增加邊榀結(jié)構(gòu)方式，降低偏心對結(jié)構(gòu)抗震性能、穩(wěn)固性的影響。按照相關(guān)要求，當建筑物與地震方向垂直時，以投影長度5%為質(zhì)量偏心計算，減少質(zhì)量偏心的不良影響。其二，平面剛度偏心：建筑平面剛度，涉及平面內(nèi)剛度、外剛度。其中，內(nèi)剛度和荷載方向相同，外剛度垂直于荷載方向。平面剛度偏心，是建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計時，模型差異大所致。剛度偏心，也會受到構(gòu)件荷載不均衡、施工環(huán)境影響。當平面剛度偏心較小時，處理難度不大，并且不會影響建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于建筑無法避免平面剛度偏心問題，所以必須優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少平面剛度偏心量。其三，平面強度偏心：平面應(yīng)力與應(yīng)變，源于空間簡化概念。平面應(yīng)力，是所有應(yīng)力處于平面內(nèi)；平面應(yīng)變，是所有應(yīng)變處于平面內(nèi)。通常情況下，平面質(zhì)量偏心、剛度偏心屬于常見偏心問題，但是技術(shù)人員不太關(guān)注強度偏心的不良影響。在工程實踐中，配制混凝土、鋼筋、鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性不足，致使結(jié)構(gòu)設(shè)計強度、實際強度的差異大。構(gòu)件截面位置出現(xiàn)強度偏心，技術(shù)人員無法控制該類問題，因此需要采取措施進行優(yōu)化。

第二，豎向不規(guī)則：涉及豎向抗側(cè)力、豎向剛度不規(guī)則，樓層承載力突變。豎向剛度不規(guī)則，是該層側(cè)向剛度不滿足上層70%，或者沒有達到其他樓層側(cè)向剛度80%。除過頂層、出屋面小建筑外，局部收進水平向尺寸，大于下一層25%。豎向抗側(cè)力不連續(xù)，是豎向抗側(cè)力利用水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，逐漸向下傳輸結(jié)構(gòu)。樓層承載力突變，是抗側(cè)力構(gòu)建層間，受到剪承載力不滿足上層80%。不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，具備特殊性要求，必須滿足規(guī)范要求、造型與功能要求，同時要進行規(guī)范外計算分析，消除常規(guī)限制，建設(shè)優(yōu)質(zhì)、可靠項目[2-3]。

2 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的標準

針對不規(guī)則高層建筑來說，整體設(shè)計復雜度大。在規(guī)劃設(shè)計中，不合理處理整體結(jié)構(gòu)，就會影響高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而影響建筑施工與運營壽命。高層建筑設(shè)計領(lǐng)域法律的出臺，提升了不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。按照高層建筑抗震規(guī)范與要求，不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)劃分為一般類、特殊類、嚴重類。一般類不規(guī)則，滿足相關(guān)標準要求，遵循規(guī)范要求加強設(shè)計質(zhì)量。特殊類，經(jīng)過專家論證處理后，綜合考量項目結(jié)構(gòu)設(shè)計，遵循抗震要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，落實各項加強措施。嚴重類不規(guī)則，是不滿足規(guī)范標準，必須進行整改與調(diào)整的設(shè)計。所以在不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間，應(yīng)當規(guī)避嚴重不規(guī)則問題，保證結(jié)構(gòu)不規(guī)則度滿足規(guī)范要求。

3 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)當按照不規(guī)則類型與方法實施，采取科學措施予以處理。不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以采取以下措施：

3.1 減小結(jié)構(gòu)相對偏心距

針對高層建筑來說，減小相對偏心距，可以降低建筑結(jié)構(gòu)逆轉(zhuǎn)效應(yīng)。減少偏心距方法，涉及調(diào)整不規(guī)則平面布局、減小樓層位移比、調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件。建筑偏心距，通常與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)呈現(xiàn)線性關(guān)系，可采取科學措施降低偏心距，控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，加強建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。注重調(diào)整結(jié)構(gòu)不規(guī)則布局，做好科學化計算，選擇最佳平面布局方案，科學控制相對偏心距。注重調(diào)整對抗側(cè)力構(gòu)件，確保建筑整體結(jié)構(gòu)剛度分布均衡，加強建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

3.2 調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)、抗扭剛度

按照相關(guān)學者研究可知，建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)周期比平，具備線性關(guān)系。按照此種特性，能夠調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、抗扭剛度比，降低結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。為了實現(xiàn)該類目的，應(yīng)用加強、加厚剪力墻方式，也可以在建筑結(jié)構(gòu)邊上方拉設(shè)梁。

3.3 加強抗扭構(gòu)件抗剪力

在不規(guī)則高層建筑中，抗震性能是通過審核的重點。為了優(yōu)化不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須加強建筑抗震性能。為了加強建筑抗震性能，不能只調(diào)整結(jié)構(gòu)布設(shè)。地震波所致建筑破壞不規(guī)則，不同時期地震波形式不同，地震波對建筑不規(guī)則性作用力，會增加建筑構(gòu)件剪力，當建筑構(gòu)件問題較多時，則會破壞建筑性能。

3.4 防震縫設(shè)計

防震縫，可以使建筑結(jié)構(gòu)成為獨立結(jié)構(gòu)單元，有助于加強建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。高層建筑設(shè)計中，防震縫所發(fā)揮出的作用效果顯著。高層建筑防震縫，按照不同建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用防震縫設(shè)計，可以減少地震對結(jié)構(gòu)的不良影響。在地震災(zāi)害中，因地震波所致鄰近基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)破壞，則防震縫可以控制破壞力傳輸，形成沉降縫，防止建筑坍塌[4]。

4 不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐

4.1 工程概況

某地區(qū)綜合體建筑，由塔樓與裙樓組成。塔樓地上國有45 層，建筑高度為207.4m，包括大廳、辦公用房、配套用房、客房、餐廳等。塔樓不設(shè)縫，與裙樓地下室為一體建筑，地下建筑共為3 層。該建筑為典型的不規(guī)則結(jié)構(gòu)建筑，因此需要做好詳細規(guī)劃與設(shè)計。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

在此次工程項目中，設(shè)計基準期、使用年限為50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如表1 所示：

表1 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

4.3 結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況

該工程項目結(jié)構(gòu)高度為B 級，包含一般不規(guī)則項2 項：

第一，塔樓二層、三層彈性水平位移，超過樓層兩端彈性水平位移值1.2 倍，樓層偏心率大于0.15。結(jié)構(gòu)首層樓板有效寬度，不滿足總寬度50%，開洞面積大于總面積30%。所以，存在兩項滿足平面不規(guī)則標準。

第二，塔樓31 層高度突變，側(cè)向剛度比不滿足標準要求，所以有1 項不滿足豎向不規(guī)則要求。

4.4 結(jié)構(gòu)性能目標

深入分析場地條件、抗震設(shè)防因素，項目將結(jié)構(gòu)性能目標設(shè)置為C～D。其中，C 級性能目標：建筑結(jié)構(gòu)在中震、大震影響下，可以滿足3 級、4 級抗震要求；D 級性能目標，等級要求最低，建筑結(jié)構(gòu)在中震、大震影響下，可以滿足4 級、5 級抗震要求，結(jié)構(gòu)損壞嚴重，但是不會出現(xiàn)倒塌、危害生命等問題。針對多遇地震，層間位移角限值為1/615。核心筒底部、框架柱、連梁、框架梁均為彈性。設(shè)防地震，核心筒底部、框架柱為抗剪彈性，連梁為可彎曲屈服，框架梁為部分可彎曲屈服。針對罕見地震，層間位移角限值為1/100，核心筒底部、框架柱滿足抗剪截面控制要求，連梁為允許彎曲損壞，框架梁為可彎曲屈服。

4.5 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

此次工程項目為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，形成雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。

4.5.1 調(diào)整扭轉(zhuǎn)位移比

工程塔樓和裙樓，不設(shè)置防震縫。裙樓偏置塔樓一側(cè)，底部樓層扭轉(zhuǎn)位移比大于1.4，通過常規(guī)方式調(diào)整偏心距，不能減小轉(zhuǎn)位移比。通過相關(guān)分析可知，工程豎向體型收進，塔樓標準層、裙樓部分位置的地震作用、結(jié)構(gòu)剛度差異大。按照相關(guān)分析可知，假設(shè)扭轉(zhuǎn)位移比與剛度、資糧、裙樓剛度、地震力因素相關(guān)，只調(diào)整樓層結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度，不會影響結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、質(zhì)量分布，也不會影響整體結(jié)構(gòu)周期。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，扭轉(zhuǎn)位移比分為無偏心、正偶然偏心、負偶然偏心。以四層為例，計算表示正偶然偏心>無偏心>負偶然偏心，因此正偶然偏心工況不佳，通過增加裙樓剛度，能夠減小正偶然偏心。工程經(jīng)過調(diào)整后，可以確保扭轉(zhuǎn)位移比小于1.4。

4.5.2 結(jié)構(gòu)布置

在工程項目中，塔樓、核心筒平面為長方形，結(jié)構(gòu)高寬比為14.9、6.4，構(gòu)件布設(shè)如下：框架柱：應(yīng)用型鋼混凝土柱，建筑20-21 層為過渡層，內(nèi)柱以構(gòu)造含鋼率為主；鋼筋混凝土柱；柱體截面則由（1700×1700）mm逐漸過渡到（800×800）mm；底部柱軸壓比小于0.7；混凝土強度為C60 與C40?？蚣芰海旱撞窟吙蚣芰焊叨葹?000mm，其余位置高度為800mm，內(nèi)框架梁高度為700mm～800mm，次梁高度為600mm。核心筒剪力墻：底層至屋頂層，外墻厚度為400mm～850mm，內(nèi)墻厚度為250mm～600mm，剪力墻軸壓比小于0.5，混凝土強度等級為C40。樓板：地下室頂板厚度為175mm，其他樓板厚度為110mm。一層與二層樓板大開洞，局部厚度為140mm。

4.5.3 基礎(chǔ)設(shè)計

按照工程概況，塔樓、裙樓設(shè)計為天然基礎(chǔ)、墻柱下樁筏基礎(chǔ)、抗拔樁，分析沉降差異。裙樓、塔樓、地庫間，設(shè)置沉降后澆帶[5]。

4.6 計算整體結(jié)構(gòu)

此次工程項目應(yīng)用標準化計算軟件，分析小震災(zāi)害下，振型分解反應(yīng)譜，兩種計算方法的結(jié)果相同。按照分析結(jié)果顯示，最小層剛度比，遵循標準規(guī)范控制，出現(xiàn)側(cè)向剛度超限問題。應(yīng)用YJK 標準軟件分析小震彈性時程，按照結(jié)果顯示，在時程波影響下，樓層剪力平均值為39-45 層，明顯大于CQC 計算結(jié)果。應(yīng)用CQC 計算方法時，部分樓層地震力放大系數(shù)為1.1-1.3。結(jié)構(gòu)首層樓板大開洞，分析專項受力性能，判斷中震作用下，首層樓板正應(yīng)力區(qū)域，小于C35 混凝土軸心拉拔強度標準值，個別應(yīng)力集中點、具備核心筒區(qū)域，樓板應(yīng)力比較大，需要應(yīng)用科學加強措施，優(yōu)化樓板配筋與厚度。Ⅰ區(qū)首層樓板厚度130mm，Ⅱ區(qū)首層樓板厚度150mm，Ⅲ區(qū)首層樓板厚度150mm，雙層雙向配筋，Ⅰ區(qū)附加單層配筋率大于0.28%，Ⅱ區(qū)附加單層配筋率大于0.55%，Ⅲ區(qū)附加單層配筋率大于0.55%。

4.7 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計

工程項目應(yīng)用等效線性方法，對顯示墻體、框架柱抗震性能目標予以驗算，使用SAUSAGE 軟件，分析大震動力彈塑性時程，結(jié)果顯示，建筑工程在大地震災(zāi)害下，可以實現(xiàn)不倒塌目標。

5 結(jié)語

綜上所述，城市化發(fā)展期間，為了滿足特定功能、特定造型需求，建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水平不規(guī)則、豎向不規(guī)則情況。不規(guī)則高層建筑造型特殊，存在抗震不利條件，必須規(guī)范結(jié)構(gòu)布置與計算分析，采取科學化加強措施，確保結(jié)構(gòu)使用可靠性與安全性，確保建筑抗震性能滿足標準。