高層建筑中平面不規則體系的結構分析與設計

何桃

（四川省林業調查規劃院　四川　成都　610081）

高層建筑中平面不規則體系的結構分析與設計

何桃

（四川省林業調查規劃院四川成都610081）

隨著建筑行業的不斷發展，建筑類型和高度不斷增加，在建筑結構中出現了一些平面不規則體系，為城市建筑帶來了全新的面貌，同時也給設計人員帶來很大的挑戰，本文主要以具體實例分析平面不規則高層建筑結構的設計，希望能為相關人員帶來些幫助。

高層建筑；平面不規則設計；結構設計

引言

由于當前經濟的飛速發展，建筑類型日益增多，其設計難度也有所提高，對于高層建筑結構進行設計的過程中，必須重視其平面布置的規則性。一旦高層建筑平面設計不規則，其平面質量中心和剛度中心將無法集中在一點，在強烈地震作用下，結構將會產生扭轉現象。如果結構設計不合理，將直接破壞結構的安全及穩定性。所以，對此課題進行研究具有較強的現實意義。

1　基于平面不規則性的高層建筑結構設計特點

（1）在高層建筑結構設計中，水平力是其中重要的影響因素。一般在對多層建筑進行結構設計時，必須將結構豎向荷載因素放在首要位置分析。相關資料顯示結構自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，與建筑高度的一次方成正比；然而，水平荷載對結構造產生的影響是十分不同的，其主要是與建筑結構高度的兩次方成正比。換個角度思考，如果建筑物的高度達到要求，則豎向荷載將會變成一個定值。相對于作為水平荷載的風荷載和地震作用，它的數值變化較為特殊，其主要隨著結構動力特性的變化。

（2）需要盡量降低高層建筑的自重。在實際的施工過程中，減輕高層建筑自重顯得尤為重要。依據筆者的工作經驗：地震效應與建筑的重量成正比。由以上關系，可以發現降低房屋自重可以有效減小結構所受地震力。如果增大高層建筑的重量，那么其結構承受的地震剪力將會越大，地震作用傾覆力矩越大。

（3）作為一個重要的控制指標，建筑物側移與建筑物的高度有直接關系的。隨著高層建筑的興起，結構側移日益成為影響高層結構設計的重要內容。除此之外，由于建筑物的高度在增加，導致新的建筑形式和結構體系不斷涌現，因此在設計結構時，必須重視抗推剛度因素。

2　實例分析平面不規則高層建筑結構設計

某工程建筑面積38457.3m2，地上16層（1層地下室），結構高度為51.90m，地下室層高3.9m，地上2層為商業，層高均為4.5m，3層以上樓層均為住宅，層高3.0m。結構形式采用框架-剪力墻結構，平面不規則，1～2層結構平面和3層以上結構平面圖分別如圖1和圖2所示。本工程采用框架柱與剪力墻作為結構的豎向抗側力構件，保證了豎向構件的連續性，同時滿足下部商場和上部住宅建筑的使用功能要求。剪力墻在設計中，均勻對稱布置，提高結構抗震性能。本工程地下室頂板作為上部結構嵌固端，地下室頂板厚180mm，采用了雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25％。剪力墻厚度從上往下分別為200mm、250mm、300mm。每層樓面均設置暗梁，暗梁按照框架梁計算配筋，剪力墻邊框暗梁寬度與墻厚相同，高度是墻厚的兩倍。豎向體型突出部位樓板厚度為150mm，上下層樓板厚度為130mm，配筋率大于0.25％。

圖1　1～2層結構平面圖

圖2　3層以上結構平面圖

2.1結構整體計算

本工程抗震設防烈度為Ⅶ度（0.10g），設計地震分組為第三組，建筑場地特征周期為0.45s，該工程設計使用年限為50年，框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級，地面粗糙度為B類。樓面荷載依照實際情況設定為商業3.0kN/m2，住宅樓2.0kN/m2，樓梯間荷載為3.5kN/m2，衛生間荷載為2.5kN/m2，陽臺荷載為2.5kN/m2，上人屋面荷載為2.0kN/m2。結構整體計算采用中國建筑科學研究院PKPM-SATWE軟件計算，X向和Y向的有效質量系數分別為98.66％、99.92％，結構第一、二周期均為平動，第三周期為扭轉，扭轉周期比為0.842。

在地震力作用下，結構在X向和Y向最小剪重比分別為2.29％、2.56％，大于1.6％，滿足規定要求。在雙向地震作用下，考慮到偶然偏心因素，最大彈性層間位移與樓間平均層間位移比為1.38：1.21，滿足要求。X向與Y向結構各層豎向剛度滿足要求，地下室與上部一層在X向和Y向的剛度比大于2滿足地下室作為上部結構嵌固端要求。X向和Y向層與層之間抗剪承載力比值范圍分別在0.900～1.260、0.900～1.230，滿足要求。

2.2結構不規則設計措施

在此設計中為提高薄弱部位的抗扭性能，底部薄弱層框架柱、剪力墻斷面尺寸加大，配筋加大，剪力墻四周均勻對稱布置，并且加大周邊框架梁及連梁的斷面尺寸。在3～16層住宅建筑的設計中平面凸出長度為11.3m，加強凸出位置的樓板厚度和配筋率。結構薄弱層在多遇地震情況下，地震作用標準值的剪力乘以放大系數。相鄰兩層之間的框架柱與剪力墻的尺寸面積相等，所采用的混凝土等級相同。為減少結構的扭轉效應，剪力墻的布置要求均勻對稱，并在此基礎上加強周邊剪力墻的抗側剛度，經過計算，本工程在X向和Y向的質量中心和剛度中心距離較為接近能滿足規范要求。在上部住宅樓中采用了轉角窗的設計，削弱了結構的抗扭性能，屬于薄弱環節設計，容易出現結構的局部破壞現象，在設計中，轉角窗的兩側設置剪力墻并提高剪力墻配筋率，加強樓面板板厚以及樓面板雙層雙向配筋，并在洞口邊緣的剪力墻端柱之間設置暗梁，提高抗扭性能。

3　平面不規則高層建筑結構設計注意事項

3.1高層建筑結構的對稱性及均勻性的體現

①在實際操作中可以發現，高層建筑主體抗側力結構沿兩個主軸方向的剛度幾乎接近一致，并且它的變形特性十分相同。在具體的設計過程中，由于高層建筑結構為三維空間，所以導致其地震、風荷載的方向比較隨意；實踐證明，只有兩個主軸方向的剛度相對較好，結構抗震抗風的效果才比較優越。②這集中體現在高層建筑主體抗側力結構沿豎向斷面構成變化方面，必須防止其產生突變。簡單地說，即保持其主體結構剪切剛度的穩定性。采用這種高層建筑，可以防止薄弱層受到損害，進而影響到整體結構的完整性，特別是對于強震區的一些建筑物而言。③在對高層建筑主體抗側力結構進行設計時，必須保持同一主體方向的剛度均勻，防止其主體結構出現某一、二片剛度較大的情況，對結構延性造成不利影響。滿足以上要求，則可以使水平荷載作用下的應力分布相對合理，實現高層建筑結構不規則抗震延性的目標。④此過程中有一點必須引起足夠重視，即中央核心與周邊結構的剛度的協調能力，這對于主體結構的抗扭剛度有著直接關系。

3.2荷載的傳力直接

豎向荷載的定義容易被理解，它產生于建筑物本身自重和它的樓屋面活荷載。這是建筑結構中最為基本的一種荷載，它對建筑物的作用時間長。通常在建筑物結構中，豎向荷載的傳力主要是指樓屋蓋梁板垂直荷載的受力點、線、通過樓屋面板、梁將垂直荷載傳遞到豎向構件墻、柱，最終由墻柱逐層傳遞到基礎。一般而言，風荷載是常見高層建筑結構中必不可少的水平荷載。另外，高層建筑結構不能超過風振加速度限值，這是為了避免造成

建筑物的振動過大，直接影響到其使用效果。

3.3結構的合理剛度

①樓屋蓋結構的合理剛度。這個概念的理論性較強，在生活中的要求為使樓屋蓋梁板斷面尺寸的選擇和布置滿足要求。一旦樓屋蓋結構的剛度不符合要求，那么將造成梁板發生變形，對建筑物的美觀造成影響。情況相對嚴重的，其裝修、填充墻、門窗也會受到不同程度的損壞；一旦樓屋蓋結構的剛度超出范圍，將會增加高層建筑物結構自重。這樣一來，建筑的成本就大大地上升了。②主體抗側力結構的合理剛度。它是整個高層建筑結構設計的一個重要參數。根據實踐經驗總結，主體抗側力結構的剛度必須符合幾個標準，比如水平位移、整體剛度等。只有這樣，才能確保高層建筑結構的安全實效性。最后，值得指出的一點是，這個數值也不宜太大，過大的剛度對結構有著不利的影響。

4　結束語

隨著城市建設的發展，高層建筑越來越多，不規則平面高層建筑結構日新月異，如何加強此類建筑的抗震設計和穩定性設計是需要重點考慮的內容，為此，上文就不規則性高層建筑結構設計的相關內容進行了探析，以此提高此類建筑的安全性。

[1]韓輝.基于高層建筑結構設計中平面不規則問題的分析與處理[J].中外建筑，2010（5）：161～162.

[2]王呈輝.高層建筑結構設計中平面不規則問題及抗震措施分析[J].建筑知識：學術刊，2013（4）：92.

[3]李亞娥，劉高峰，孫瑞祥.平面不規則長形高層建筑結構扭轉效應的研究[J].甘肅科學學報，2011（2）：116～119.

TU973

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1673-0038（2015）04-0016-02

2015-1-5