高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則問題與抗震策略研究

摘""要：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶有較高的專業(yè)性、規(guī)范性要求，對(duì)抗震方面能力的要求也較高，這使相關(guān)設(shè)計(jì)中的不規(guī)則問題得到關(guān)注。以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不規(guī)則問題及其危害為切入點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上從抗震角度出發(fā)，探討應(yīng)對(duì)不規(guī)則問題的具體策略，包括控制關(guān)鍵參數(shù)、加強(qiáng)模擬分析等。最后通過模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)上述理論進(jìn)行輔助說(shuō)明，為后續(xù)高層建筑抗震設(shè)計(jì)有關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑""結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)""不規(guī)則問題""抗震策略

中圖分類號(hào)：TU973

Research"on"Irregular"Problems"and"Seismic"Strategies"in"the"Design"of"High-Rise"Building"Structures

WU"Han

Sinopec"Petroleum"Engineering"Design"Co.，"Ltd.，"Dongying，"Shandong"Province，"257000"China

Abstract："The"structural"design"of"high-rise"buildings"has"high"professional"and"normative"requirements，"as"well"as"high"requirements"for"seismic"resistance，"which"makes"the"irregularities"in"related"designs"get"attention."Starting"from"the"irregular"problems"and"their"hazards"in"the"design"of"high-rise"building"structures，"this"papernbsp;explores"specific"strategies"for"addressing"irregular"problems"from"the"perspective"of"seismic"resistance，"including"controlling"key"parameters"and"strengthening"simulation"analysis."Finally，"the"above"theory"is"supplemented"by"simulation"experiments"to"provide"reference"for"subsequent"seismic"design"work"of"high-rise"buildings.

Key"Words："High-rise"buildings;"Structural"design;"Irregular"issues;"Seismic"strategy

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則項(xiàng)并非質(zhì)量問題，是指建筑各部分的非標(biāo)準(zhǔn)、非對(duì)稱或非規(guī)則結(jié)構(gòu)，這些設(shè)計(jì)可能基于美觀目的，也可能基于提升空間使用效應(yīng)的意圖，但多會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性，需要加以關(guān)注，包括建筑整體的抗震要求在內(nèi)。從地理特點(diǎn)上看，我國(guó)受到環(huán)太平洋火山地震帶、地中海-喜馬拉雅火山地震帶影響，地震的發(fā)生率較高，這也客觀要求重視建筑抗震設(shè)計(jì)[1]。在此背景下，分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則問題與抗震策略，具有一定積極價(jià)值。

1""高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不規(guī)則問題及其危害

1.1""高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不規(guī)則問題

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不規(guī)則問題可分為多種，包括?扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、?局部收進(jìn)和凸出、?樓層承載力突變、?豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)貫通等。這些問題的表現(xiàn)各有不同，且對(duì)高層建筑的影響也存在一定差異[2]。

扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，是指高層建筑某些結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比超過規(guī)定值的情況，水平方向的作用力超過預(yù)期，在某個(gè)方向過于突出，出現(xiàn)較嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)，以致建筑整體穩(wěn)定性出現(xiàn)波動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)地震時(shí)，來(lái)自垂直方向（包括地下地震波以及建筑自重）的作用力改變建筑的受力態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致?扭轉(zhuǎn)不規(guī)則問題的影響瞬時(shí)快速加劇，出現(xiàn)建筑倒塌、局部垮塌等問題。根據(jù)現(xiàn)有研究，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的需要考慮位移情況，即樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件的彈性水平位移、層間位移極限值與平均值的差異，差異過大可判定存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則問題[3]。

?局部收進(jìn)和凸出在高層建筑中并不少見，但其中大部分為対稱式設(shè)計(jì)，如果收進(jìn)和凸出不對(duì)稱，或超出固定比例標(biāo)準(zhǔn)，也可視作高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則。如上層樓層水平尺寸小于下部樓層水平尺寸，且低于后者尺寸的75%，屬于較嚴(yán)重的局部收進(jìn)；外挑部分過大、長(zhǎng)度超過4"m，屬于高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則。其他形式的高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則問題表現(xiàn)上也具有一定特點(diǎn)，對(duì)建筑安全、穩(wěn)定的影響值得關(guān)注[4]。

1.2""相關(guān)問題的危害

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不規(guī)則問題，主要產(chǎn)生兩個(gè)方面的破壞：一是降低建筑的抗震能力；二增加運(yùn)維有關(guān)支出。

建筑各處的不規(guī)則問題均直接影響其傳力、導(dǎo)力，當(dāng)這種影響的等級(jí)不高、幅值不大時(shí)，高層建筑的功能性、穩(wěn)定性、安全性不受影響。如果建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則的問題比較突出，可能產(chǎn)生安全隱患[5]。地震來(lái)臨時(shí)，受力不均勻、傳力態(tài)勢(shì)不理想的結(jié)構(gòu)在外力作用下失穩(wěn)，出現(xiàn)局部垮塌、開裂、損壞、倒塌的可能性明顯提升，不滿足“大震不倒、小震不修”的基本要求。同時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則部分的處理難度也較高，無(wú)論在地震造成損害前或日常維修工作中，均需要投入較大精力進(jìn)行問題控制，增加產(chǎn)權(quán)單位、用戶的精力消耗和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，一些較嚴(yán)重的破壞甚至需要局部重建，經(jīng)濟(jì)壓力較大。

2""高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則部分的抗震策略

2.1""控制關(guān)鍵參數(shù)

2.1.1""位移比控制

位移比主要發(fā)生在高層建筑層間區(qū)域，是相關(guān)建筑不規(guī)則問題的多見形式之一，會(huì)顯著削弱建筑抗震能力，導(dǎo)致上層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、塌落的可能性很高。該問題的控制以兩層建筑水平位移參數(shù)為中心，要求該樓層兩端平均層間位移保持在合理范圍：一般樓層兩端層間位移的最大值高于平均值不得超過20%，A級(jí)高層建筑應(yīng)控制該數(shù)值在50%以內(nèi)，B級(jí)高層建筑應(yīng)控制該數(shù)值在40%以內(nèi)；在組織設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用參數(shù)代入分析法、模擬分析法提供輔助，首先確定甲方的一般要求，之后根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析樓層兩端平均層間位移值、最大位移值，在條件允許的情況下，適當(dāng)提升二者比值，保持平均值接近最大值，以提升高層建筑穩(wěn)定性?？蓱?yīng)用SATWE軟件輸出考慮偶然偏心影響、單雙向地震的位移比等動(dòng)態(tài)參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化位移比控制效果。

2.1.2""周期比控制

周期比是第一自振周期（以Tt表示，主要為結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)）與第一自振周期（以Tl表示，主要是平行方向移動(dòng)）的比值，重點(diǎn)控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。實(shí)際工作中，Tt以及T1有一定的變動(dòng)可能，但建設(shè)方以及施工方出具的要求、施工方案是固定的，第一自振周期內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)默認(rèn)不變，可以利用軟件進(jìn)行模擬分析，包括BIM軟件和SATWE軟件等。設(shè)計(jì)過程中，Tt取值信息確定后，分別根據(jù)A、B級(jí)不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑的要求確定周期比，按照一般抗震需要，A級(jí)不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑Tt與T1的比值應(yīng)在0.9以下，B級(jí)不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑Tt與T1的比值應(yīng)在0.85以下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的建筑，如轉(zhuǎn)換、連體、多塔等復(fù)雜高層建筑，其Tt與T1的比值也應(yīng)在0.85以下，以控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，避免、降低地震帶來(lái)的破壞。

2.1.3""側(cè)向剛度比控制

側(cè)向剛度比即相鄰樓層間側(cè)向剛度的比值，可能從豎直、水平兩個(gè)方向影響高層建筑的抗震能力。對(duì)側(cè)向剛度比的控制，可以降低高層建筑結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的影響。無(wú)論A、B級(jí)不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑，或設(shè)計(jì)復(fù)雜的轉(zhuǎn)換、連體、多塔等高層建筑，均應(yīng)在設(shè)計(jì)階段保持各部分相鄰樓層間側(cè)向剛度的統(tǒng)一、穩(wěn)定；當(dāng)不規(guī)則問題難以控制、避免時(shí)，應(yīng)對(duì)側(cè)向剛度比參數(shù)進(jìn)行分析，原則上可以根據(jù)建筑的抗震要求進(jìn)行計(jì)算，要求以抗震剪力固定值為基礎(chǔ)，以125%作為增加系數(shù)，確定側(cè)向剛度比的基礎(chǔ)值，確保其實(shí)際值在基礎(chǔ)值以下，控制相鄰樓層間側(cè)向剛度差異，減少水平方向上的地震破壞效應(yīng)。

2.2""加強(qiáng)材料選擇與應(yīng)用

高層建筑的部分不規(guī)則結(jié)構(gòu)是難以避免的，在組織設(shè)計(jì)時(shí)，要求在保留相關(guān)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上控制地震破壞?？蓢L試引入彈性模量較大、自恢復(fù)能力較強(qiáng)的材料替代一般材料，以改善建筑的抗震能力，借助有關(guān)材料改善地下部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震效果。

此前日本各地使用的金屬類復(fù)合材料、高延性混凝土等，對(duì)提升高層建筑及其不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震能力具有一定作用。高延性混凝土，是一種延展率較高的新型材料，在受到外力影響時(shí)，該類材料可在受力方向的對(duì)應(yīng)側(cè)適度延展，避免結(jié)構(gòu)受力斷裂、裂縫等一般性問題，保證受力結(jié)構(gòu)的整體性，即便地震烈度較大，結(jié)構(gòu)也可以保持完整，減少建筑斷裂、坍塌等嚴(yán)重事故的發(fā)生率。實(shí)際工作中，可在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)不規(guī)則問題的區(qū)域使用高延性混凝土替代、部分替代常規(guī)建筑材料，提升建筑抗震能力。

地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)主要發(fā)揮輔助作用，使來(lái)自震源區(qū)域的地震波能夠得到緩沖、削減，降低對(duì)建筑的整體破壞，包括不規(guī)則結(jié)構(gòu)在內(nèi)。在組織高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不可避免，為控制地震破壞，可著手在不規(guī)則結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的地下區(qū)域進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，也可以在建筑地下區(qū)域整體進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，如地下緩震結(jié)構(gòu)抗震，其工作簡(jiǎn)圖如圖2所示。

根據(jù)圖2所示模式，組織高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，以不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震為目標(biāo)，可以在地基部位設(shè)置若干緩震裝置，包括帶有自恢復(fù)能力的金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)合類非金屬材料、改性材料等。當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，高層建筑地下緩震裝置可以吸收地震波產(chǎn)生的豎直方向的動(dòng)能，并通過自恢復(fù)能力加以消耗，使傳播至地表、地上建筑各處的地震波能量衰減，進(jìn)而減少地震破壞。地下緩震結(jié)構(gòu)主要發(fā)揮間接作用，使高層建筑以及其不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震效果得到綜合性提升。

2.3""以模擬技術(shù)提供輔助

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則問題的影響難以根本消除，基于抗震目的，還可以應(yīng)用BIM技術(shù)等進(jìn)行模擬。該技術(shù)主要應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，服務(wù)上文所述的參數(shù)控制工作。原則上，根據(jù)早期建設(shè)要求、抗震要求以及一般建筑參數(shù)等建立BIM模型，之后通過參數(shù)代入的方式進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)模擬即可。如果初次模擬結(jié)果不理想，也可以重復(fù)利用參數(shù)信息族進(jìn)行二次、三次模擬，直到獲取滿意的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)成果。

3""模擬分析

以某城市的X寫字樓為模擬對(duì)象。該建筑高107.2"m，設(shè)計(jì)共35層。因建筑功能多樣，且外觀觀感設(shè)計(jì)復(fù)雜，存在多處不規(guī)則設(shè)計(jì)，面臨抗震要求的不足。

設(shè)計(jì)單位在組織設(shè)計(jì)時(shí)，通過BIM技術(shù)、SATWE軟件等，對(duì)周期比、位移比等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，另在地下以及地上局部區(qū)域應(yīng)用了高延性混凝土，以改善抗震能力。模擬分析分為動(dòng)態(tài)模式、靜態(tài)模式兩種，動(dòng)態(tài)模式下，默認(rèn)建筑設(shè)計(jì)方案不變，不考慮老化、人員活動(dòng)等因素影響。以5.5級(jí)地震為基準(zhǔn)，每次模擬增加0.1級(jí)強(qiáng)度，判斷建筑及其不規(guī)則結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)破壞、分析破壞強(qiáng)度。靜態(tài)模擬主要考慮標(biāo)準(zhǔn)要求下（甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）下，建筑是否能夠應(yīng)對(duì)地震破壞。從模擬結(jié)果上看，有效控制周期比、位移比等關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)用高延性混凝土的情況下，建筑以及其不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震能力合格，表明上述措施、思路具有應(yīng)用層面的積極價(jià)值。

4""結(jié)論

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則問題的影響較突出，可能導(dǎo)致建筑安全性波動(dòng)，增加運(yùn)維成本和負(fù)擔(dān)。從抗震角度出發(fā)，需要在組織高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重視兩個(gè)不規(guī)則部分特點(diǎn)，做好參數(shù)控制，同時(shí)從材料選取、應(yīng)用角度出發(fā)尋求優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上結(jié)合客觀信息組織動(dòng)靜態(tài)模擬，為設(shè)計(jì)、建設(shè)工作提供完善的基本方案，最后從地下結(jié)構(gòu)入手，提升其抗震性能，間接應(yīng)對(duì)高層建筑不規(guī)則設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知上述措施具有一定的積極作用，未來(lái)工作中可嘗試應(yīng)用、推廣。

參考文獻(xiàn)

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