高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研

 【摘要】受經(jīng)濟(jì)與社會(huì)快速發(fā)展影響，近年來我國建筑業(yè)發(fā)展迅速，不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑的大量涌現(xiàn)便能夠證明這一認(rèn)知�；�于此，本文簡(jiǎn)單分析了高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型劃分及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并圍繞L型平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展了深入探討，希望由此能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來一定啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；不規(guī)則結(jié)構(gòu)；L型；平面不規(guī)則

前言

在高層建筑工程設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則的情況不斷增多，中央電視臺(tái)、深圳發(fā)展中心、上海希爾頓飯店等高層建筑均屬于其中典型，而為了保證這類高層建筑能夠兼具視覺效果與較高的安全性及穩(wěn)定性，不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須得到重點(diǎn)關(guān)注，本文研究具備的較高現(xiàn)實(shí)意義可見一斑。

1高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型劃分

結(jié)合國內(nèi)外開展相關(guān)理論研究和實(shí)踐探索，本文將高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型歸納為平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)、豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)以及其他不規(guī)則結(jié)構(gòu)三大類。

1.1平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步細(xì)分為凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)，具體特征如下：①凹凸不規(guī)則。凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要特征包括凸出過細(xì)、凹進(jìn)過多、平面狹長(zhǎng)。凸出過細(xì)指的是一般情況下凸出部分長(zhǎng)寬比在2.0以上，抗震設(shè)防烈度在Ⅷ度以上時(shí)該比值則在1.5以上；凹進(jìn)過多指的是平面凹進(jìn)一側(cè)尺寸大于30%的相應(yīng)投影方向總尺寸；平面狹長(zhǎng)指的是平面長(zhǎng)寬比在6.0以上，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度時(shí)該比值則在5.0以上。②扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。對(duì)于位移比大于1.2的高層建筑，可認(rèn)為其存在平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。③樓板不規(guī)則。存在平面樓板不規(guī)則的高層建筑一般具備四方面特征，即樓層錯(cuò)層較大（如較大錯(cuò)層面積大于該層總面積的30%時(shí)）、采用細(xì)腰形平面、開洞面積在該層樓面面積的30%以上，以及有效樓板寬度在開洞凹入后不超過該層樓板典型寬度50%[1]。

1.2豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)可細(xì)分為側(cè)向剛度不規(guī)則、樓層承載力突變、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，具體特征如下：①側(cè)向剛度不規(guī)則。多種情況均可能導(dǎo)致高層建筑產(chǎn)生豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，如為了形成空曠房間，在結(jié)構(gòu)頂部取消部分墻、柱；結(jié)構(gòu)上部樓層，且上部樓層水平尺寸的90%大于下部樓層；當(dāng)結(jié)構(gòu)上部樓層收進(jìn)部位到室外地面的高度1與房屋高度之比大于0.2時(shí)，上部樓層收進(jìn)后的水平尺寸不宜小于下部樓層水平尺寸的75％；樓層側(cè)向剛度小于其上相鄰三層平均值的80%，或小于相鄰上部樓層70%。②樓層承載力突變。對(duì)于A級(jí)高層建筑來說，如層間受剪承載力比在0.8以下，即可認(rèn)定其存在樓層承載力突變，B級(jí)高層建筑則小于0.75。③豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件會(huì)向下傳遞豎向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力，這同樣屬于高層建筑豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的重要特征之一。

1.3其他不規(guī)則結(jié)構(gòu)復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)、超規(guī)范結(jié)構(gòu)同樣可被納入不規(guī)則結(jié)構(gòu)范疇，具體劃分如下：①復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)。如高層建筑存在多塔樓結(jié)構(gòu)、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)，或帶有加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)或轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，即可認(rèn)定其存在結(jié)構(gòu)不規(guī)則。②超規(guī)范結(jié)構(gòu)。對(duì)于存在新型結(jié)構(gòu)、超限結(jié)構(gòu)、超高結(jié)構(gòu)的高層建筑，也可以認(rèn)定其存在結(jié)構(gòu)不規(guī)則，這里的新型結(jié)構(gòu)指的是規(guī)范未涉及，采用新技術(shù)、新工藝、新材料建造的結(jié)構(gòu)；超限結(jié)構(gòu)指的是超過了規(guī)范規(guī)定限值；超高結(jié)構(gòu)則是指超過了規(guī)范規(guī)定的最大高度。值得注意的是，無論超規(guī)范結(jié)構(gòu)高層建筑的平面、立面是否規(guī)則，均需要從嚴(yán)設(shè)計(jì)審查，將其視作不規(guī)則結(jié)構(gòu)[2]。

2高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)

為保證高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，需關(guān)注嚴(yán)格控制參數(shù)、開展針對(duì)性設(shè)計(jì)計(jì)算、強(qiáng)化抗震措施等設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.1嚴(yán)格控制參數(shù)為實(shí)現(xiàn)高水平的高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)評(píng)測(cè)、分析、控制，一些重要控制參數(shù)必須得到重視，以通用的有限元分析軟件SATWE為例，位移比、周期比、側(cè)向剛度比、層間受剪承載力比等參數(shù)的限值及調(diào)整要求必須得到重視，具體控制如下：①位移比。位移比也被稱作層間位移比，指的是按剛性樓板假定計(jì)算樓層的最大層間位移（或水平位移）與該樓層兩端平均層間位移（或水平位移）的比值，該參數(shù)能夠有效控制高層建筑結(jié)構(gòu)平面的不規(guī)則性。一般情況下規(guī)則結(jié)構(gòu)的位移比應(yīng)控制在1.2內(nèi)，A級(jí)不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑的位移比也不應(yīng)超過1.5，B級(jí)及轉(zhuǎn)換、連體、多塔等復(fù)雜高層則應(yīng)控制在1.4內(nèi)。通過應(yīng)用SATWE軟件輸出考慮偶然偏心影響、單雙向地震的位移比即可更好為不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供支持，工程實(shí)際必須在設(shè)計(jì)中得到重點(diǎn)體現(xiàn)。②周期比。周期比指的是第一自振周期（以結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主）Tt與第一自振周期（以平動(dòng)為主）Tl的比值，該參數(shù)可有效控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過嚴(yán)格控制周期比，即可保證結(jié)構(gòu)平動(dòng)變形在結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形之上，地震作用下的主振動(dòng)效應(yīng)也能夠由此得到較好控制，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞的預(yù)防。對(duì)于A級(jí)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的高層建筑來說，周期比應(yīng)控制在0.9內(nèi)，B級(jí)及轉(zhuǎn)換、連體、多塔等復(fù)雜高層則應(yīng)控制在0.85內(nèi)，考慮到SATWE軟件的限制，設(shè)計(jì)人員需基于各振型特征與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷，必要時(shí)需通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案解決周期比不滿足要求情況，如進(jìn)行內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)的弱化、對(duì)周邊主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。③側(cè)向剛度比。該指標(biāo)指的是相鄰樓層間側(cè)向剛度的比值，通過該參數(shù)可有效控制高層建筑的結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則。結(jié)合上文圍繞側(cè)向剛度不規(guī)則開展的論述，如出現(xiàn)側(cè)向剛度比指標(biāo)無法滿足規(guī)范要求情況，即可初步確定高層建筑的豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)存在薄弱層，其地震剪力需乘以1.25的增大系數(shù)。通過應(yīng)用SATWE軟件，即可實(shí)現(xiàn)側(cè)向剛度比的自動(dòng)計(jì)算、地震剪力的自動(dòng)放大。④層間受剪承載力比。該參數(shù)指的是相鄰樓層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)受剪承載力的比值，通過該參數(shù)可有效控制高層建筑存在的結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則。一般來說該參數(shù)需控制在0.8及以上，A級(jí)不規(guī)則結(jié)構(gòu)高層建筑則需要控制在0.65以上，B級(jí)需控制建筑•節(jié)能在0.75以上。如層間受剪承載力比小于規(guī)范值，即可初步判斷高層建筑存在結(jié)構(gòu)薄弱層，這種情況下同樣需放大地震剪力，SATWE軟件可較好服務(wù)于層間受剪承載力比的計(jì)算、確定和控制[3]。

2.2開展針對(duì)性設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)于高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，很多時(shí)候簡(jiǎn)單放大地震剪力或調(diào)整計(jì)算參數(shù)無法滿足建筑需要，這種情況下必須進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的修改，如調(diào)整結(jié)構(gòu)方案、設(shè)置滑動(dòng)鉸支撐或防震縫、設(shè)置拉梁或拉板等，“三水準(zhǔn)抗震設(shè)防，兩階段抗震設(shè)計(jì)”抗震設(shè)計(jì)思想也需要得到充分應(yīng)用。在針對(duì)性的設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)針對(duì)性應(yīng)用底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法、彈性時(shí)程分析法，并針對(duì)性強(qiáng)化抗震措施，抗震計(jì)算中的計(jì)算參數(shù)設(shè)置和特殊構(gòu)件定義也需要得到重視。

3基于L型平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

3.1設(shè)計(jì)方法L型平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需嚴(yán)格遵循《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）要求，而為了保證建筑的抗震性能，可采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)延性、剛度、強(qiáng)度的合理統(tǒng)一，具體設(shè)計(jì)從能力譜法、控制延性的方法、直接基于位移的方法三種主要思路進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

3.2實(shí)例分析以某地高71.6m的L型平面不規(guī)則高層建筑作為研究對(duì)象，該建筑采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，地震分組為第一組、基本地震加速度值為0.20g、抗震設(shè)防烈度為八度、建筑場(chǎng)地類別為二類、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)、建筑工程等級(jí)為一級(jí)，考慮到建筑具備的L型平面不規(guī)則特點(diǎn)，因此可判斷其質(zhì)量中心與剛度中心不重合，較高的偏心距因此出現(xiàn)，且建筑會(huì)在地震作用下產(chǎn)生較為明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此設(shè)計(jì)將剪力墻均勻布置在建筑恒載較大及平面形狀變化較大部位，以及樓梯間、電梯間以及建筑物的周邊附近，剪力墻的間距也得到了較好控制。分別為建筑裙房三層結(jié)構(gòu)層平面圖、塔樓七~八層結(jié)構(gòu)層平面圖，設(shè)計(jì)采用PMCAD建立整棟模型，共建立標(biāo)準(zhǔn)差平面模型17個(gè)，地下室結(jié)構(gòu)層為第一標(biāo)準(zhǔn)層，裙房結(jié)構(gòu)層為第二到第四標(biāo)準(zhǔn)層，L型塔樓結(jié)構(gòu)層為第五到第十七標(biāo)準(zhǔn)層�？紤]到建筑抗震設(shè)防類別為丙類、高度為A級(jí)、抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，因此設(shè)計(jì)將基本地震加速度值、特征周期、水平地震影響系數(shù)最大值分別設(shè)定為0.20g、0.35s、0.16，考慮偶然偏心進(jìn)行計(jì)算，雙向地震作用下扭轉(zhuǎn)影響、結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力時(shí)程分析也在計(jì)算中得到了充分體現(xiàn)，周期折減系數(shù)、結(jié)構(gòu)的阻尼比設(shè)定考慮了活荷載不利布置影響，最終分別設(shè)定為0.78與0.05�；�于PMCAD建立的結(jié)構(gòu)模型生成SATWE數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員開展了內(nèi)力和配筋計(jì)算，配合模態(tài)分析和時(shí)程分析，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)建筑屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則建筑，由此開展的針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)最終較好保障了建筑的安全。

4結(jié)論

綜上所述，高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮多方面因素影響，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的嚴(yán)格控制參數(shù)、開展針對(duì)性設(shè)計(jì)計(jì)算、強(qiáng)化抗震措施、L型平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，則提供了可行性較高的不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路徑，而為了進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，彈塑性模型的建立、彈塑性分析的開展必須得到重視。

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