不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究

吳衛(wèi)華 尹俊紅 萬海濤

（河南大學(xué)土木建筑學(xué)院 河南開封 475004）

1 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱（墻）”的原則；對(duì)可能造成結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力；承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。

應(yīng)盡可能設(shè)置多道抗震防線。一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震，如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會(huì)因損傷積累導(dǎo)致倒塌。抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度，有意識(shí)地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時(shí)倒塌。

對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力。構(gòu)件在強(qiáng)烈地震下不存在強(qiáng)度安全儲(chǔ)備，構(gòu)件的實(shí)際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎(chǔ)。要防止在局部上加強(qiáng)而忽視了整個(gè)結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。在抗震設(shè)計(jì)中有意識(shí)、有目的地控制薄弱層（部位），使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段。

2 規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析

2.1 工程概況

本文選取的大廈主體結(jié)構(gòu)為地下一層，地上十層，集辦公室、試驗(yàn)及展示等功能于一體。建筑底層層高為5.7m，2層層高為5.3m，斜屋面最高處為50m。建筑總面積為3萬m2，該建筑主體結(jié)構(gòu)采用的是現(xiàn)澆框架———剪力墻結(jié)構(gòu)體系，抗震等級(jí)為三級(jí)，樓屋面采用的是現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。

2.2 工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于該工程的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。

（2）設(shè)計(jì)具體措施。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)要求，并立足于工程基本特點(diǎn)，在抗震設(shè)計(jì)中，可以從如下幾個(gè)方面入手，以此來提高建筑物整體抗震性能：①在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師可以利用殼元理論作為構(gòu)造墻元模型，同時(shí)，采用廣義協(xié)調(diào)墻元模型，對(duì)高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分分析，形成立體、直觀的結(jié)構(gòu)模型，幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行觀察，高效處理結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；②調(diào)整建筑質(zhì)心、剛心位置，在底部1～3層之間，采用增加剪力墻、調(diào)整墻體厚度的方式，使得建筑質(zhì)心與剛心之間能夠盡可能接近；③在U型平面底部增加一定數(shù)量的剪力墻，將扭轉(zhuǎn)位移比控制在1.5之內(nèi)；④針對(duì)3層以上的南立面外傾，要考慮到外傾柱對(duì)梁柱的荷載，并進(jìn)行計(jì)算，使得外傾柱能夠在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生最大拉力，保持在398kN；⑤工程內(nèi)的多數(shù)框架結(jié)構(gòu)以單跨形式存在，能夠在一定程度上提高工程抗震性能。與此同時(shí)，由于框架柱傾覆彎矩超過50%，故框架的抗震等級(jí)可以設(shè)置為三級(jí)。

2.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

（1）上部結(jié)構(gòu)斜柱、斜框架設(shè)計(jì)。針對(duì)平面框架的計(jì)算，由于存在斜柱，使得沿著框架梁方向，會(huì)產(chǎn)生一定的附加軸向應(yīng)力。對(duì)于應(yīng)力的控制應(yīng)設(shè)計(jì)兩根直柱。在設(shè)計(jì)中，采用PK、SATWE軟件對(duì)帶斜柱框架進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果存在一定差別。前者在計(jì)算中，僅考慮到自身框架受力與形變，計(jì)算內(nèi)力較大，故計(jì)算出來的結(jié)果用到設(shè)計(jì)中，能夠提高結(jié)構(gòu)安全性，使建筑結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。在空間模型內(nèi)，由于存在平面剛度較大的樓板，使得各框架之間會(huì)相互作用，重新分布附加水平力。如果在中間榀設(shè)置剪力墻后，那么其面內(nèi)剛度會(huì)超過框架柱，平面內(nèi)剛度較大的樓板會(huì)將水平力傳遞出去。

（2）抗傾覆設(shè)計(jì)。本工程從3層開始呈現(xiàn)U型形態(tài)，整體結(jié)構(gòu)通過斜框架向外傾斜9°，同時(shí)從5層開始的U型平面45°開始進(jìn)行斜向收縮，促使結(jié)構(gòu)質(zhì)心向上、向外移動(dòng)，在很大程度上增加了傾覆力。為了優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)，可以采取如下措施。①加強(qiáng)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的拉結(jié)與斜向框架抗震構(gòu)造，充分考慮各方面影響因素，確保斜柱拉力能夠保持在協(xié)調(diào)狀態(tài)。②確保上下層連接，通過45°斜屋面，構(gòu)建斜向框架結(jié)構(gòu)，使得主體結(jié)構(gòu)之間能夠保持上下層之間的連接，從而優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)受力效果。③對(duì)于上部結(jié)構(gòu)來說，其抗傾覆最大的平衡點(diǎn)就是地下室。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其整體傾覆力的計(jì)算，了解整體傾覆力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，并對(duì)地下室頂板整體剛度及配筋進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和處理。

3 結(jié)論

不規(guī)則高層建筑作為城市發(fā)展、建筑水平提升的具體表現(xiàn)，其能夠以獨(dú)特的形態(tài)呈現(xiàn)出來，符合當(dāng)代人的審美需求。但值得注意是，不規(guī)則高層建筑與一般建筑不同，要加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)，確保建筑工程在使用中能夠保持穩(wěn)定、安全，且能夠延長建筑工程使用壽命。因此在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師要充分考慮實(shí)際情況，加強(qiáng)對(duì)細(xì)節(jié)的研究，實(shí)現(xiàn)工程的抗震設(shè)計(jì)。針對(duì)平面的設(shè)計(jì)，可以考慮布置剪力墻，控制整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比能夠在規(guī)范范圍之內(nèi)。同時(shí)，針對(duì)豎向的抗震設(shè)計(jì)，要加強(qiáng)對(duì)剪力墻位置與厚度的控制，調(diào)整剛心位置，盡可能與質(zhì)心相接近。隨著建筑技術(shù)不斷發(fā)展，我們還要加大研究力度，不斷提高不規(guī)則建筑抗震設(shè)計(jì)水平，從而促使建筑工程綜合效益得到充分發(fā)揮。

[1]袁譽(yù)平.豎向不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析[D].西安建筑科技大學(xué)，2017.

[2]高猛.某平面不規(guī)則高層結(jié)構(gòu)抗震性能分析[D].安徽建筑大學(xué)，2016.[3]周海超.不規(guī)則高層鋼結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及消能減震分析[D].安徽建筑大學(xué)，2014.

[4]蔡靜敏.某超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)與分析[D].華南理工大學(xué)，2016.

[5]劉高峰.平面不規(guī)則長形高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)分析[D].蘭州理工大學(xué)，2016.