某平面不規則高層建筑的抗震設計

章少華 尚志誠 慶彥營

(河南省朝陽建筑設計有限公司，河南 鄭州 450008)

某平面不規則高層建筑的抗震設計

章少華 尚志誠 慶彥營

(河南省朝陽建筑設計有限公司，河南 鄭州 450008)

針對某平面不規則高層建筑存在凹凸不規則及樓板不連續等不利因素，分析了工程平面不規則的類型及程度，并采用抗震性能化設計方法對關鍵部位進行了設計，經過抗震計算分析及有針對性的抗震加強措施，結構能達到預期的抗震性能目標和規范要求。

平面不規則，剪力墻結構，抗震性能化，設計

1 工程概況

某平面不規則高層建筑位于鄭州市西郊，為一棟高層住宅樓，采用剪力墻結構體系，建筑面積約3.6萬m2。建筑物地下2層，為自行車庫和儲藏室，地上34層，建筑高度99.6 m，1層為物業用房和架空層，2層以上為住宅，平面左右對稱，結構標準層平面圖見圖1。建筑結構的安全等級為二級，結構設計使用年限為50年。工程抗震設防類別為標準設防類(丙類)，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.15g，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40 s，地面粗糙度類別為B類，50年一遇的基本風壓為0.45 kN/m2，基本雪壓為0.40 kN/m2,承載力設計時按基本風壓的1.10倍采用，風荷載體型系數取1.40。

2 結構方案及規則性分析

國內外大地震中相鄰結構碰撞造成的震害十分普遍，主要是設置防震縫時，縫寬度過小，地震搖擺使距離過近的結構碰撞，導致結構損傷[1]。現行建筑抗震設計規范中對設縫的相關規定為：體型復雜、平立面不規則的建筑，應根據不規則程度、地基基礎條件和技術經濟等因素的比較分析，確定是否設置防震縫，并符合相應的要求。其總體傾向是：體型復雜的建筑并不一概提倡設置防震縫，可設縫、可不設縫時，不設縫但應采取相應措施[2]。

對本工程，根據建筑平面的特點和平面的復雜程度，結構方案的選擇有兩種：1)設縫將結構分成兩個相對規則的平面；2)不設縫，針對平面不規則的類型和程度采取相應的措施。經過對結構方案的對比分析，并根據建筑所在場地的控制條件，綜合考慮各方面的因素，最終采用不設縫的結構方案，其主要考慮有以下幾方面：a.由于該場地條件的限制，不設縫方案有利于建筑對場地的控制和利用；b.結構不設縫可避免建筑對防震縫的外立面處理；c.根據大量地震震害情況及結構大震彈塑性分析結果，對該高度近百米的結構，其防震縫寬度要遠大于規范的推薦值，才能保證建筑在進入彈塑性階段時不發生碰撞或減輕碰撞的損壞程度。

設計時針對不設縫的結構方案，對其規則性進行了判定。在平面規則性上，結構在規定的水平地震力作用下，考慮偶然偏心的樓層最大位移比為1.19，不超過1.20，不屬于扭轉不規則平面；結構平面凹入約60%，超過平面典型寬度的30%，屬于凹凸不規則平面；結構樓板的有效寬度約為平面典型寬度的40%，小于平面典型寬度的50%，屬于樓板局部不連續；在豎向規則性上，結構不存在剛度突變、承載力突變及豎向構件間斷的情況，屬于豎向規則結構，根據超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點(建質[2010]109號)，綜合判定該結構為凹凸不規則和樓板局部不連續的不規則結構，不屬于超限結構。

3 結構整體計算分析

根據結構的特點及復雜程度，結構在整體計算分析時采用PMSAP軟件，對弱連接處樓板的局部應力計算分析采用ETABS軟件，結構計算模型如圖2所示。

3.1 結構主要計算參數

地下室頂板作為上部結構的嵌固部位。考慮偶然偏心及雙向地震作用，計算振型數為27，周期折減系數取0.95，連梁剛度折減系數取0.60，墻、柱混凝土強度等級為C45～C30，梁、板混凝土等級為C30，結構抗震等級為二級。

3.2 結構主要計算結果

結構的前2階周期分別為Y向和X向的平動，周期值分別為2.574 5 s和2.458 7 s，第3階周期為扭轉，周期值為2.242 6 s，結構周期比為0.871，滿足規范不大于0.90的限值要求，結構具有較好的抗扭剛度；結構X向及Y向的剛重比分別為5.39和4.93，滿足規范要求，可不考慮重力二階效應；地震作用下，結構X向最大層間位移角為1/1 211，位于第16層，結構Y向最大層間位移角為1/1 158，位于第22層，兩個方向均滿足規范的限值要求，結構兩個方向的變形均呈彎曲型變形曲線，符合剪力墻結構的受力特性；在規定水平地震力作用下，結構X向和Y向的最大位移比分別為1.05和1.19，滿足規范對扭轉效應的控制要求。

4 連接處樓板分析

對凹凸不規則平面，建筑物易在凹角部位形成應力和變形集中，導致樓板開裂和破壞，從而引起結構的局部破壞甚至倒塌[3]。對該結構，兩側結構單元的剛度較大，連接部位的樓板起著連系和協調兩側結構單元變形的作用并傳遞地震力，其樓板平面內承受較大的剪力。在地震作用下，一旦連接處樓板發生破壞，不能繼續連系和協調兩側結構單元的變形和傳遞地震力，則兩側結構單元形成獨立的抗震單元，若設計中未考慮其單獨承擔地震作用，則會導致結構出現局部破壞甚至倒塌。根據地震震害經驗及抗震設計概念，結合平面不規則的程度，本工程在設計中對連接處樓板采用抗震性能化設計方法，其性能目標為：在小震和中震下樓板處于彈性狀態，在大震下樓板截面尺寸滿足剪壓比的控制要求。即結構在地震下各單元的地震作用全部由連接處樓板承擔，樓板截面尺寸滿足大震受剪截面控制條件。

針對該結構平面的特點，設計中對連接處樓板(圖1中陰影部分)采用殼單元模擬，分析其應力和變形集中的部位，根據分析結果采取有效的抗震加強措施。

4.1 連接處樓板沿樓層豎向的應力分布

對連接處樓板，其凹口角點和平面尺寸變化的部位應力集中明顯，受力較大。根據剪力墻在水平荷載作用下呈現彎曲型的變形特性，其受力沿樓層分布具有一定的規律，圖3給出了Y向地震下凹口角點A點和平面尺寸變化的部位B點沿樓層豎向的X向應力分布，A點和B點平面位置見圖1。由圖3可知，A點在26層以下為壓應力，26層以上轉變為拉應力，并在頂層處拉應力達到最大；而B點在30層以下為拉應力，30層以上轉變為壓應力，并在頂層壓應力達到最大。對該凹凸不規則平面，兩側單元的抗側剛度相對中間連接樓板處較大，中間連接處樓板相當于一道水平放置的深梁，兩端支承在兩側的結構單元上，其A點和B點所在邊相當于深梁的受拉或受壓翼緣。在結構中下部，由于兩側單元水平位移較小，連接樓板上翼緣即B點所在邊出現拉應力，下翼緣即A點所在邊出現壓應力；而到了結構上部，由于剪力墻水平位移加大，同時由于扭轉效應的加大，導致上翼緣受壓下翼緣受拉，從而出現A點和B點拉壓應力的轉變。圖4中給出了第5層和第34層連接樓板在Y向地震下X向的應力分布，從圖4中可明顯看出連接處樓板在水平荷載作用下上下翼緣的拉壓應力分布狀態與一道水平放置深梁的受力狀態類似。

4.2 大震下連接處樓板的簡化設計

4.3 中震下連接處樓板應力分析

確定各層連接處樓板板厚后，根據其在中震下保持彈性的性能目標對結構進行了中震彈性計算分析，中震彈性計算的水平地震影響系數最大值取0.34，內力調整系數取1.0，保留作用分項系數，材料強度采用設計值；計算結果表明，各層連接處樓板在中震下能保持彈性工作狀態，其頂層連接處樓板的拉、壓應力最大，其最大壓應力為1.52MPa，最大拉應力為1.11MPa，均小于樓板的混凝土軸心抗壓及抗拉強度設計值，樓板處于彈性狀態。

4.4 連接處樓板外圍樓層梁受力分析

連接處樓板相當于一道水平放置的深梁，其上下翼緣在地震作用下承受較大的拉、壓應力。外圍的樓層梁相當于連接處樓板的加強肋，在地震作用下，外圍的樓層梁與普通樓層梁一樣需要承受平面內的彎矩、剪力和扭矩，同時還承受軸向拉、壓力和平面外彎矩。通過分析可知，連接處樓板外圍樓層梁為承受軸向拉、壓力的雙向彎、剪、扭構件，設計中應根據其受力狀態進行配筋設計及構造處理。

5 結語

1)結構可采用分塊剛性樓板假定，對連接處樓板應采用殼單元模擬，以反映真實的受力；2)加強兩側結構單元的抗側剛度，以減少扭轉效應對連接處樓板受力的不利影響；3)根據大震剪壓比控制條件確定樓板厚度且最小樓板厚度不應小于120mm，采用雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%；4)連接處樓板外圍樓層梁應按承受軸向拉、壓力的雙向彎、剪、扭構件進行設計，并采取相應的構造措施。抗震計算分析表明，結構整體受力合理，連接處樓板局部出現應力和變形集中，采取抗震加強措施后構件能實現預期的抗震性能目標。

[1] 方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2]GB50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[3] [法]米蘭·扎賽克.建筑抗震概論[M].賈 凡，譯.北京：中國建筑工業出版社,2010.

[4] 建質[2010]109號，超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S].

Seismic design of high-rise building with irregular plane

Zhang Shaohua Shang Zhicheng Qing Yanying

(HenanZhaoyangArchitectureDesignCo.，Ltd，Zhengzhou450008，China)

According to the irregular plane high-rise building with many unfavorable factors including bump irregular and discontinuity of floor, analysis the type and degree of irregular plane, performance-based seismic design method was used to design the key components. Through the seismic calculation analysis and strengthening measures, the structure can meet the design goals of performance and criterion requirements.

irregular plane， shearwall structure， performance-based seismic, design

1009-6825(2015)02-0028-03

2014-11-07

章少華(1983- )，男，碩士，工程師,一級注冊結構工程師； 尚志誠(1972- )，男，高級工程師，一級注冊結構工程師； 慶彥營(1981- )，男，工程師，一級注冊結構工程師

TU352.11

A