退臺式體型收進高層建筑結構的設計與分析

鄧尚敏

退臺式體型收進高層建筑結構的設計與分析

鄧尚敏

（南寧市建筑規(guī)劃設計集團，廣西 南寧 530026）

文章介紹了退臺式體型收進高層建筑結構方案的比選確定過程。重點分析由于裙房與退臺塔樓剛質偏心引起的扭轉效應，提出了減少扭轉效應及其對結構不利影響的設計思路和加強措施。針對退臺建筑特點，在塔樓底部兩層的建筑端部增設斜撐，形成過渡層，避免在體型收進的結構薄弱部位出現(xiàn)豎向抗側力構件的轉換，合理優(yōu)化退臺塔樓側向剛度，減小地震作用效應。

退臺；剛質偏心；扭轉效應；過渡層

引言

退臺式高層建筑立面體型豐富靈動，有利于建筑滿足通風采光要求，并且其建筑留白區(qū)域能為住戶提供較大的屋外活動空間，深受業(yè)主和建筑師的推崇，在酒店住宅建筑中得到廣泛應用。同時，退臺式體型收進高層建筑通常會出現(xiàn)裙房與退臺塔樓剛質偏心、體型收進部位及退臺處側向剛度及質量突變、結構外圍結構不連續(xù)等結構問題，給結構設計提出了新的挑戰(zhàn)。

《建筑抗震設計規(guī)范》[1]對塔樓偏置的定義：單塔或多塔合質心與大底盤的質心偏心距大于底盤相應邊長的20%；對側向剛度不規(guī)則的定義：局部收進的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%，兩者均屬于用上下樓層的質心偏心距或平面尺寸衡量塔樓的偏置及側向剛度不規(guī)則程度的范疇。規(guī)范沒有明確裙房剛心與塔樓合質心偏置的程度對裙樓扭轉效應所起的主導作用，導致結構設計人員在確定結構方案時往往僅局限于對本樓層平面內剛質偏心的控制，忽略了沿建筑高度方向上裙房與退臺塔樓剛質偏心所引起的扭轉效應，導致結構扭轉效應偏大的問題。同時，過多增大塔樓的側向剛度以減少結構體型收進部位側向剛度及受剪承載力的不均勻程度，導致塔樓側向剛度與塔樓自身質量相不匹配，使塔樓受到的地震作用偏大，進一步加大了裙房的扭轉效應，結構地震作用效應偏大，結構受力不合理，不僅影響結構安全，還造成了工程造價不必要的增加。

本文運用結構概念設計方法對退臺式體型收進高層建筑的結構問題進行簡化梳理，結合建筑的功能條件提出對應的結構解決方案。同時，通過對不同結構方案計算結果的比對分析，優(yōu)化結構方案，對關鍵結構構件采取有效的加強措施，減輕由于建筑形體的不規(guī)則給結構抗震性能帶來的不利影響，指出了退臺式體型收進高層建筑結構設計應注意的關鍵問題。

1　工程概況

防城港市某酒店商業(yè)建筑，地上26層，地下1層，建筑總高度為95.7 m，典型層高3.6 m，效果圖見圖1。擬建場地區(qū)抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05 g，設計地震分組為第一組，場地類別為II類，特征周期為0.35 s，屬于標準設防類建筑。基本風壓值：0.75 KN/m2，地面粗糙度類別為A類，風荷載體型系數(shù)為1.5。采用框架剪力墻結構，框架及剪力墻抗震等級均為三級。由于結構超長，因此設置抗震縫將建筑物劃分為四個相互獨立的結構單元，本文對第三結構單元進行設計分析。

圖1 建筑效果圖

2 結構方案的比選確定

根據(jù)建筑高度和使用功能要求，本工程采用結構布置靈活且具有較大側向剛度的框架剪力墻結構。1～18層裙房平面尺寸長53.7 m×寬18.25 m；19～26層塔樓向建筑左側偏置且逐層退臺，19層塔樓平面尺寸長28.8 m×寬18.25 m。18層典型體型收進比例=24800/53700=0.46＞0.25；體型收進部位高度比例=63.3/95.7=0.66＞0.20，如圖2、圖3所示，根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3－2002）（下簡稱《高規(guī)》）[2]3.5.5規(guī)定，屬于體型收進結構。

圖2 建筑立面圖

圖3 裙房18層剛質偏心示意圖

本文通過對三個結構方案進行分析比較，并確定最終結構方案，各方案結構采用的裙房及塔樓結構布置如表1所示。

表1 結構方案匯總

2.1 裙房結構布置

本建筑的房間分隔上下對齊、均勻對稱，為框架柱及剪力墻的布置提供了良好條件。最初的結構方案一在側向剛度較弱的橫向，三個軸線上成榀對齊布置剪力墻，形成良好的抗側力體系，有效提高了結構整體側向剛度。結構抗側力構件平面布置規(guī)則均勻，平面剛心和質心基本重合。裙房結構布置如圖4所示。

圖4 裙房原結構布置圖

國內、外歷次大地震震害表明，平面不規(guī)則、質量與剛度偏心和抗扭剛度太弱的結構，在地震中會遭受到嚴重的破壞。國內一些振動臺模型試驗結果也表明，過大的扭轉效應會導致結構的嚴重破壞[2]。因此樓層的層間位移比是控制結構扭轉效應的主要指標。

計算結果顯示，結構方案一的周期比和位移角等指標均滿足規(guī)范要求，但與體型收進塔樓相接的裙房屋面18層左下角的墻柱1，如圖4所示，在Y向負偏心規(guī)定水平力作用下層間位移比發(fā)生突變，由19層1.34突變到1.72，遠超規(guī)范限值1.4，裙房1～18層相同位置的層間位移比都超過規(guī)范的限值，如表2所示，結構扭轉效應問題突出。

結構角點墻柱1的層間位移比超限的原因：由于上部塔樓層數(shù)多、質量大，塔樓傳遞至裙房的地震作用遠大于裙房屋面本身質量產生的地震作用。同時，由于塔樓體型收進，上部塔樓的質心和裙房屋面剛心相距較遠，如圖3所示，導致上部塔樓傳到裙樓豎向構件的水平力對裙樓產生扭轉效應，裙房剛心與塔樓合質心偏置的程度對裙樓的扭轉效應起主導作用。因此，需對原裙房結構布置進行調整，在不影響建筑使用功能的提前下，把抗側剛度較強的剪力墻向建筑左側調整，減少裙房剛心與塔樓合質心偏置程度，如圖3所示，結構方案二及最終結構方案的裙房結構布置如圖5所示。

圖5 裙房最終結構布置圖

計算結果顯示，經(jīng)調整，結構層間位移比均滿足規(guī)范要求，其中，18層墻柱1的層間位移比由原1.72降至1.42，效果顯著，如表2所示。同時，結構角點的內力大幅下降，其中地震作用下18層左下角墻柱1的剪力由原297.4 KN降至250.2 KN，降幅達15% ；左上角墻柱2的剪力由原-205.7 KN降至-147.3 KN，降幅達28%，墻柱內力的不均勻程度有了明顯改善，如表3、表4所示。

通過上述對裙房結構布置的調整，有效減少了上部塔樓和裙房屋面之間的質剛偏心距，結構的扭轉效應大幅降低。

2.2 退臺塔樓結構布置

為減少體型收進部位結構剛度的變化，有效控制結構的高振型反應，《高規(guī)》規(guī)定上部收進結構的底部樓層層間位移角不宜大于相鄰下部區(qū)段最大層間位移角的1.15倍[2]。

塔樓傳遞至裙房的地震作用大小也是決定體型收進結構在地震作用下的扭轉效應大小的主要因素。在滿足上述《高規(guī)》規(guī)定的前提下，合理優(yōu)化上部塔樓側向剛度與塔樓質量的關系，使塔樓側向剛度與塔樓自身質量相匹配，避免因塔樓側向剛度過大導致結構吸收過大地震作用的情況出現(xiàn)，合理減弱塔樓的側向剛度可有效減小裙房扭轉效應。

圖6 塔樓19、20層原結構布置圖

圖7 塔樓19、20層最終結構布置圖

由于退臺式體型收進，塔樓的樓層質量較裙房樓層質量有大幅減少，為使塔樓側向剛度與其樓層質量相匹配，在結構方案二塔樓（如圖6所示）的基礎上減少塔樓的橫向剪力墻，如圖7所示，合理減弱塔樓的側向剛度，減少塔樓傳遞到裙房的地震作用。經(jīng)過調整，地震作用下體型收進部位樓層的剪力Vy減少了約18%，如表5所示，18層層間位移比由原來的1.42降至1.34，結構扭轉效應進一步降低。同時，結構角點的內力進一步減小，其中，18層左下角墻柱1的剪力由原250.2 KN降至105.7 KN，降幅達58%，左上角墻柱2的剪力由原-147.3 KN降至87.4 KN，降幅達40%，墻柱內力的不均勻程度進一步改善，如表3、表4所示。

同時，在體型收進部位塔樓底部兩層（19層、20層），針對退臺建筑特點，在塔樓兩端增設鋼筋混凝土斜撐，塔樓結構布置如圖7所示（與增設剪力墻相比，可避免出現(xiàn)豎向抗側力構件不連續(xù)的不規(guī)則項），可提高塔樓底部樓層的抗側剛度，形成過渡層，減少體型收進部位的剛度突變，19層側移剛度RJY3由原來的5.6657E+05（kN/m）提高至7.3630E+05（kN/m），提高了30%；19層樓層受剪承載力Vy由原來的9786.68 KN提高到12940.27 KN，提高了30%，同時塔樓的抗扭剛度及承載力也相應提高。

通過上述對塔樓結構布置的調整，使塔樓側向剛度與其樓層質量相匹配，可減少地震作用下的樓層剪力，同時，進一步減小結構的扭轉效應。上部收進塔樓底部19層層間位移角1/3304與相鄰下部裙房最大層間位移角1/2989的比值為0.90，小于高規(guī)[2]1.15的限值，剛度變化滿足規(guī)范要求。

經(jīng)過對裙房及塔樓結構布置的調整，確定了最終結構方案：裙房結構布置如圖5所示、塔樓的19層、20層結構布置如圖7所示。結構方案比選過程中三個結構方案結構布置匯總如表1所示。

3 結構計算分析

3.1 針對體型收進的計算分析對比

采用SATWE對最終結構方案進行計算分析，各項指標均滿足規(guī)范要求，效果良好。針對體型收進部位附近樓層，結構方案比選過程中的三個結構方案的計算分析對比結果如表2至表5所示。

表2 Y向負偏心靜震（規(guī)定水平力）工況的樓層層間位移比分布

表3 Y負偏心地震及Y向風荷載作用下墻柱1的剪力 Vy(kN) 及降幅

注：降幅均為與方案一剪力比較的結果。

表4 Y負偏心地震及Y向風荷載作用下墻柱2的剪力 Vy(kN) 及降幅

注：降幅均為與方案一剪力比較的結果。

表5 地震作用下結構體型收進部位樓層的剪力 Vy(kN)

3.2 彈性時程分析及彈塑性靜力補充計算

采用SATWE進行多遇地震彈性時程分析，時程分析的計算結果與反應譜法計算結果基本吻合，彈性時程分析得到的樓層剪力均未超出反應譜法的計算結果，同時各樓層的層間位移角未有明顯突變，如表6所示。

表6 彈性時程分析主要指標

采用PKPM靜力推覆進行罕遇地震彈塑性靜力分析，分析結果表明，本工程性能點最大層間位移角X向為1/560、Y向為1/406，均滿足《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011—2010（2016年版）[1]5.5.5中的層間位移角不超過1/100的規(guī)定。

4 加強措施

針對退臺式體型收進結構的不規(guī)則類型，根據(jù)結構概念設計方法和計算分析結果，采取以下加強措施：

（1）為保證塔樓的地震作用可靠地傳遞到裙房結構，并在裙房結構內有效傳遞，體型突變部位的樓板應加厚并加強配筋，樓板厚度150 mm，雙層雙向配筋，每層每方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不小于0.25%。體型突變部位上、下層結構的樓板也應采取加強構造措施。

（2）為保證塔樓與底盤整體工作，體型收進部位上、下各2層塔樓周邊豎向結構構件的抗震等級提高一級，按二級抗震采用；柱箍筋在裙樓屋面上、下層的范圍內全高加密。

（3）由于建筑體型偏心收進，加強收進部位以下2層裙房結構周邊框架柱縱向鋼筋的最小配筋率，角柱箍筋全高加密。

（4）塔樓各層框架角柱箍筋全高加密，外周圈柱縱向鋼筋的最小配筋率宜適當提高；框架梁通長面筋不少于梁端面筋截面面積的1/4，以加強退臺塔樓的整體抗震性能。

5 結論

（1）退臺式體型收進高層建筑的結構布置，應減小裙房剛心與退臺塔樓各層合質心的偏心距，可有效降低扭轉效應及其對結構的的不利影響。

（2）合理優(yōu)化塔樓的側向剛度，使塔樓側向剛度與塔樓自身質量相匹配，可減少地震作用下的樓層剪力，在體型收進部位上下樓層效果顯著，有效減少體型收進部位的內力及變形集中，進一步減小結構扭轉效應。

（3）在塔樓底部兩層的建筑端部增設斜撐，形成過渡層，避免在體型收進的結構薄弱部位出現(xiàn)豎向抗側力構件的轉換；同時可有效減少結構體型收進部位側向剛度及受剪承載力不均勻程度，提高結構抗扭剛度及承載力。

（4）在同等剛質偏心條件下，偏心地震工況較風荷載工況產生的扭轉效應更明顯、對結構的不利影響更大。

（5）由于塔樓層層內收的原因，退臺塔樓各樓層結構扭轉效應較普通體型收進塔樓明顯，應提高塔樓周邊豎向結構構件及框架梁剛度及承載力。

[1] GB50011－2010. 建筑抗震設計規(guī)范（2016年版）[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] JGJ3－2010. 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]朱炳寅. 建筑抗震設計規(guī)范應用與分析（第2版）[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2017.

Design and Analysis of Retractable High-Rise Building Structure with Setback Terraces Form

This paper introduces the process of comparison and determination of structural schemes of retractable high-rise buildings with setback terraces form. This paper focuses on the torsional effect caused by the eccentricity of the rigid mass between the podium and the setback terraces tower, and puts forward the design ideas and strengthening measures to reduce the torsional effect and its adverse impact on the structure. According to the characteristics of the setback terraces building, the diagonal brace was added at the end of the bottom two floors of the tower to form a transition layer, so as to avoid the conversion of vertical lateral force resisting members in the weak part of the structure, and optimize the lateral stiffness of the setback terraces tower reasonably to reduce the earthquake effect.

setback terraces; rigidity eccentricity; torsional effect; transition layer

TU318

A

1008-1151(2022)06-0030-04

2022-02-22

鄧尚敏（1977－），男，南寧市建筑規(guī)劃設計集團高級工程師，國家一級注冊結構工程師，碩士，研究方向為結構工程。