不規則高層建筑結構的抗震研究

施展

摘 要：現如今，城市化建設進程不斷深化，高層建筑如雨后春筍般出現在城市各個角落，在緩解城市用地壓力等方面發揮著積極作用，也成為城市發展水平的重要標準之一。在眾多高層建筑中，不乏涉及到鳥巢、水立方、長城飯店等標新立異的建筑，為城市增添了不一樣的色彩。但由于這些建筑以不規則形態呈現出來，對工程設計師提出了更大的挑戰，尤其是抗震方面，在遵循規范準則的同時，還要高效處理建筑結構抗震問題。基于此，本文對不規則高層建筑結構的抗震進行分析。

關鍵詞：不規則；高層建筑結構；抗震

1 前言

抗震工作是建筑設計和施工的重點，為使所設計的高層建筑結構在強度、剛度、延性及耗能能力等方面達到最佳，結構工程師要進行嚴格系統的結構分析與設計。不規則高層建筑的不規則性，對高層建筑的結構設計提出了更高的難度和要求，論文就此展開論述。

2 不規則高層建筑結構概述

以往，高層建筑造型與火柴盒一樣，單調且乏味，缺乏新意。但上個世紀八十年代，隨著城市化進程建設不斷加快，人們物質生活得到了極大的改善，對精神文化需求不斷增強，為建筑設計帶來了發展機遇。復雜、不規則及不對稱結構高層建筑涌現，并成為建筑發展的潮流。如上海希爾頓酒店、深圳發展中心等，正因為建筑造型獨特引起了人們的關注。與此同時，美國高烈度地震區的西海岸也出現了很多形式復雜、不規則高層建筑物，雖然，我們看到的建筑物體型規則、簡單，但由于其抗側力構件布置與一般建筑差別較大，使其能夠在結構上以不對稱形態呈現出來。如尼加拉瓜馬那瓜的中央銀行，在設計中，其主要呈現簡單的矩形狀，但在建筑東西方向設置電梯井，在很大程度上增加了建筑物剛度。雖然不規則高層建筑看上去給人一種搖搖欲墜的視覺效果，但由于其設計依據科學的力學計算，是科學的。不規則高層建筑以扭轉、凹凸不規則等多種形式存在，相比較一般建筑來說，不規則高層建筑設計難度較大，故要給予更多關注和重視。

3 不規則高層建筑結構抗震分析

3.1 案例分析

某高層建筑地上25層，地下3層，總體高度104.2米。15層以下東西長度94米，16層以上為83米。南北向寬度為30米，總建筑面積5.3萬平方米。地下三層分別為餐飲、商業、車庫區。

建筑師從環境和功能的要素的角度，將北側設計為電梯、機房、管井的集中區域，南側為敞開式的商住和辦公區域，采用玻璃幕墻作為立面的材料。整體立面為起航的船體，屋頂從東向主屋面逐漸升起，高點高度為22.5米，上有桅桿，桅桿高度為15米。

3.2 設計詳情

建筑物的結構特點把握，從15層開始向上，西北側有收進，豎向的變化較大，南側沒有設計剪力墻予以支撐，南北向的偏心較大。頂層自西向東有變化，東面較高和重。

平面上的特點是，建筑物的兩個端部有剛度較小的單跨框架，東南的尖角為單柱，在地震作用下，端面的平面質量將起到很大的作用，由于不規則，因此，需要在扭轉效應上，設計出較大的抗側剛度。

經過對結構特性的分析之后，采用試算的方法，發現建筑物的特點是西低東高、西輕東重。東端和西端出現的單跨框架以及部分的面積，側剛較小，產生東段振幅較大的情況，為了使得結構能夠形成以平動為主的基本振型，因此在東面設置了剪力墻。

針對南北向的偏心問題，為了滿足建筑連續多跨的框架剛度較大的特點要求按照剪力墻承擔的總彎矩進行了剪力墻量的設置，減少了縱向地震作用下可能產生的扭矩，這樣，建筑物的靠近端部的剪力墻轉動中心的力臂將增大，能夠在地震扭轉中南北偏心產生的時候起到重要的作用。

4 工程結構抗震設計

對于位移限值的分析，在考慮了偶然偏心影響的地震作用，樓層的最大位移與層高的比例是滿足建筑設計要求。RATIO為層平均位移和最大位移之間的比值，RTIO-D（n）為層平均層間和最大層間的位移比值，MAX-D/h為最大層間位移角，Umax為頂層最大位移（mm）。

計算模型分別按照0、90度和45度方向計算結構在水平力作用下的變形和內力的組合特征，考慮雙向水平地震作用下的扭轉影響，得到了剪力墻連梁的折減系數、周期折減系數、阻尼比等數值。

經過軟件的計算結果，還發現個別連梁的彎矩和剪力出現截面超筋的情況，再進行連梁設計以及配筋的時候，通過設置鋼暗柱的方式，給予了加強措施。在本工程中，兩個單元的建筑均為混凝土核芯筒體的垂直交通通道，如電梯、樓梯，構成的核心抗側力的構件主要分布在兩側，這種設計提高了抗側的高度。對于周邊的翼板出現的出挑略多的問題，采用了彈性板加以解決，充分考慮變形對于邊角柱以及豎向構件的影響，提高了一個等級的抗震功能，加強的區域內的配筋，采用全高加密箍筋的方法，保證地震發生的時候構件不屈服，結構延性加強。

本建筑工程有著平面立面不規則的先天狀況，因此，要對計算過程中的近似性、局限性、地震的不確定性進行充分的考慮，將施工因素等問題加入設計的內容。不能完全依靠計算結構，而是要對結構的整體構造，薄弱環節加以分析，從結構安全的角度進行設計。

例如工程在地震作用下，最不利的趨于在兩個端部，這部分為單跨柱框架，因此應進行承載能力和延性的加強，防止出現破壞。

工程的框架承擔地震的總彎矩經過測量接近50%，因此要在南側縱向框架的強度和延性設計上采用提高抗震等級的方法進行構造的設計。

工程的西側剪力墻的數量較少，因此，在該區域的抗扭的設計上應予以加強。

還有中心部位的樓電梯間，混凝土的剪力墻布置上，框架較小的框架帶來了單體抗扭轉剛度不足的問題，可以通過增加結構的側力抗扭剛度的方法進行增大，依靠外圍抗側力墻剛度增加的方法，將抗扭轉剛度增大。

5 結構不規則設計的注意事項

結構不規則設計時，必須注意以下問題：（1）重點考慮結構的均勻性與對稱性，并對結構的偏心率進行有效的控制。如果能夠保證偏心率足夠小，結構就會出現清晰的平動主振型和扭轉主振型，更容易符合扭平分量比的標準；（2）重視累積質量對結構的影響。如果結構的某一部分存在高低跨現象，需要科學合理的設置剪力墻，有效的降低偏心距；（3）如果樓板因存在大面積缺失的現象而形成長短柱的狀態，不但要提高短柱的延性，而且需要提高長柱的剛度；（4）提高結構周邊梁的剛度。通過提高周邊連梁與框架梁的剛度，可以提高整體結構的抗扭剛度，并且有利于剛心位置的調整。

6 結語

根據上文所述，不規則高層建筑作為城市發展、建筑水平提升的具體表現，其能夠以獨特的形態呈現出來，符合當代人的審美需求。但值得注意是，不規則高層建筑與一般建筑不同，要加強抗震設計，確保建筑工程在使用中能夠保持穩定、安全，且能夠延長建筑工程使用壽命。因此在設計中，設計師要充分考慮實際情況，加強對細節的研究，實現工程的抗震設計。針對平面的設計，可以考慮布置剪力墻，控制整體結構扭轉位移比能夠在規范范圍之內。隨著建筑技術不斷發展，我們還要加大研究力度，不斷提高不規則建筑抗震設計水平，從而促使建筑工程綜合效益得到充分發揮。

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