高層建筑設計中平面規則性的重要性研究

林書佚

1 概述

近十年來，我國高層建筑在各地層出不窮，建筑的高度不斷增加，平面形式也越來越復雜，這一點在地震設防烈度與風荷載均相對較小的重慶地區尤為突出。不少高層建筑已經超出了GB 50011-2001建筑抗震設計規范和JGJ 3-2001高層建筑混凝土結構技術規程的適用范圍和相關抗震設計規定。目前重慶地區的超限高層建筑工程主要還是集中在結構平面不規則從而導致的超限上。從實際工程情況來看，其他方面均不超限的前提下，平面不規則也會在很大程度上導致整體結構扭轉效應增大，甚至危及結構的抗震安全。

2 工程概況

該工程為重慶涪陵濱江國際花園二期工程，建設地點位于重慶市涪陵區濱江片區。地面上33層均為住宅，地下1層為大底盤車庫。抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，設計特征周期為0.35 s，水平地震影響系數最大值為0.04，場地類別為Ⅱ類。

本工程主樓主體高度為99 m，在A級設計限值以內，故抗震設防類別為標準設防類。結構設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，地面粗糙度為B類，基本風壓按100年一遇取值(W0=0.35 kN/m2)。

根據建筑物的平面形狀及功能要求，本工程采用了兩道抗震縫將建筑物從地下室頂板面起分為三幢單體，縫寬均滿足規范要求。這三幢單體均為33層高層住宅，標準層平面布置完全相同，因此本文僅取其中一幢進行分析。

本工程結構體系選用全落地剪力墻結構，不存在豎向構件轉換的情況，但由于地下車庫停車位及車行通道的布置，豎向構件的位置及尺寸受到相當大的限制。另外，標準層邊梁高度由于建筑立面要求均為600 mm。

3 方案一

本工程在方案階段結構專業已經介入，對建筑專業提供的方案一進行了初步分析。

3.1 平面規則性分析

該主體標準層平面布置為Y形。

1)90°方向:平面凸出一側的尺寸為 l=14 317 mm，該方向總尺寸為 Bmax=32 080 mm，l/Bmax=44.6%＞35%。 45°(135°)方向:平面凸出一側的尺寸為 l=10 470 mm，該方向總尺寸為Bmax=36 537 mm，l/Bmax=28.7%＜35%。2)0°方向:細腰部分 b=14 000 mm，該方向總尺寸為 Bmax=31 000 mm，b/Bmax=45.2%＜50%。45°(135°)方向:細腰部分 b=6 900 mm，該方向總尺寸為Bmax=21 800 mm，b/Bmax=31.7%＜50%。3)90°方向:平面凸出部分長度與連接寬度之比為 l/b=1.02。45°(135°)方向:平面凸出部分長度與連接寬度之比為l/b=1.52。

該平面有樓梯及電梯開洞(由于電梯開洞處四周均為剪力墻，因此不計入樓板開洞面積中)，開洞面積比率小于30%，任一方向的有效樓板寬度均大于5 m，樓板在開洞處的凈寬度為9.58 m，小于該層樓板典型寬度(典型樓板寬度采用加權平均計算[3])30.3×50%=15.15 m。

根據文獻[3]，本工程屬于高度不超限，平面不規則，豎向規則的結構體系。

3.2 結構分析及主要結果

本工程采用PMSAP程序進行了小震作用下的彈性計算及時程分析，按地震選波三要素，選取Ⅱ類場地上的2組實際強震記錄TAF-235波、TH2TG035波及1組人工模擬的場地波RH2TG035進行彈性時程分析。主要計算結果見表1。

表1 方案一結構整體計算分析結果

綜上所述，該方案整體結構的抗扭剛度明顯不足，扭轉效應較大，對結構抗震不利。

4 方案二

結構專業將方案一平面不規則的情況反饋給了建筑專業，建筑專業根據結構專業的建議對方案進行了調整，調整后的方案(方案二)的結構平面形狀及尺寸見圖1。

4.1 平面規則性分析

該主體標準層平面布置仍為Y形，結構平面形狀尺寸見圖1。

1)90°方向:平面凸出一側的尺寸為 l=8 521 mm，該方向總尺寸為 Bmax=27 645 mm，l/Bmax=30.8%＜35%。 45°(135°)方向:平面凸出一側的尺寸為 l=10 500 mm，該方向總尺寸為Bmax=30 993 mm，l/Bmax=33.9%＜35%。2)0°方向:細腰部分 b=14 900 mm，該方向總尺寸為Bmax=23 200 mm，b/Bmax=64.2%＞50%。45°(135°)方向:細腰部分 b=10 900 mm，該方向總尺寸為Bmax=21 800 mm，b/Bmax=50%。3)90°方向:平面凸出部分長度與連接寬度之比為 l/b=0.57。45°(135°)方向:平面凸出部分長度與連接寬度之比為l/b=0.96。

與方案一計算有效樓板寬度的方式相同，該方案平面開洞面積比率小于30%，任一方向的有效樓板寬度均大于5 m，樓板在開洞處的凈寬度為10.48 m，大于該層樓板典型寬度(典型樓板寬度采用加權平均計算)18.84×50%=9.42 m。

根據文獻[3]，本工程屬于高度不超限，平面及豎向均規則的結構體系。

4.2 結構分析及主要結果

結構整體計算選用軟件及各項參數的選取與方案一完全相同，主要計算結果見表2。

與方案一相比較，方案二的扭轉效應明顯減少了，也就是說結構布置，截面尺寸等更加合理，從而進一步確保了結構在水平荷載作用下的安全。

表2 方案二結構整體計算分析結果

5 結語

從本工程兩個方案的對比分析可以看出，相對平面較規則的方案二結構的周期及位移均符合規范要求，也就是說，這一方案在水平荷載作用下的扭轉效應較小，在水平荷載作用下整個結構的變形受力將更加均勻，減少了出現薄弱層以及薄弱構件的幾率，從而使結構更加安全可靠。

因此，結構工程師應該盡可能早的介入整個高層建筑的設計中去，從最初的建筑方案設計時就從結構破壞的機理、控制結構振動特性等的角度出發為方案提出適當的修改建議，并調整結構布置，使其既能滿足建筑專業使用功能的要求，其計算結果又能滿足結構專業規范及規程的要求，這樣建筑的安全性及經濟性都將達到更加令人滿意的結果。

[1] GB 50011-2001，建筑抗震設計規范[S].

[2] JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3] DB 51/T5058-2008，四膽省抗震設防超限高層建筑工程界定標準[S].

[4] 朱炳寅.對《建筑抗震設狡規范》第 6.1.14條規定的理解和設計思考[J].建筑結構技術通訊，2006(8):20-23.