不規則高層建筑結構設計要點分析

鄭增坤 蔡觀鋒

（1.杭州華正建筑設計院有限公司，浙江 杭州 310000； 2.浙江省建筑設計研究院，浙江 杭州 310000）

城市現代化發展中，高層建筑成為重要工程方式，能夠有效提升土地利用率。但是，建筑高度持續增加，功能復雜，結構造型新穎度強，開始出現較多不規則結構。相比于規則建筑，不規則高層建筑遭受地震影響后，會出現明顯結構破壞問題，所以對建筑結構設計提出嚴格要求。

1 高層建筑不規則結構的定義

不規則結構，是人們對建筑外形與功能的全新追求，不僅可以達到建筑功能要求，也可以滿足視覺審美要求，但是不規則結構對結構工程師的挑戰要求高。由于不規則結構剛心與質心不重合，受到地震影響后，會出現明顯扭轉與變形問題[1]。按照高層建筑混凝土結構要求，對不規則結構進行以下分類：

第一，平面不規則：涉及凹凸、扭轉不規則，樓板不連續等問題。扭轉不規則，要求在規定水平力作用下，樓層最大彈性水平位移，明顯高于兩端彈性水平位移均值1.2 倍。凹凸不規則結構，要求平面凹凸進尺寸大于投影尺寸30%。樓板不規則，表現為樓板尺寸、平面剛度急速變化。其一，平面質量偏心：高層建筑層數多，荷載大，所以平面質量偏心，會影響結構穩固性。平面不規則結構設計中，由于結構構件設計所致平面質量偏心，若不注重處理質量偏心問題，將無法滿足規范要求，還會影響結構施工與建筑安全。針對該類問題，應用增加邊榀結構方式，降低偏心對結構抗震性能、穩固性的影響。按照相關要求，當建筑物與地震方向垂直時，以投影長度5%為質量偏心計算，減少質量偏心的不良影響。其二，平面剛度偏心：建筑平面剛度，涉及平面內剛度、外剛度。其中，內剛度和荷載方向相同，外剛度垂直于荷載方向。平面剛度偏心，是建筑結構構件設計時，模型差異大所致。剛度偏心，也會受到構件荷載不均衡、施工環境影響。當平面剛度偏心較小時，處理難度不大，并且不會影響建筑結構穩定性。由于建筑無法避免平面剛度偏心問題，所以必須優化結構設計，減少平面剛度偏心量。其三，平面強度偏心：平面應力與應變，源于空間簡化概念。平面應力，是所有應力處于平面內；平面應變，是所有應變處于平面內。通常情況下，平面質量偏心、剛度偏心屬于常見偏心問題，但是技術人員不太關注強度偏心的不良影響。在工程實踐中，配制混凝土、鋼筋、鋼構件的穩定性不足，致使結構設計強度、實際強度的差異大。構件截面位置出現強度偏心，技術人員無法控制該類問題，因此需要采取措施進行優化。

第二，豎向不規則：涉及豎向抗側力、豎向剛度不規則，樓層承載力突變。豎向剛度不規則，是該層側向剛度不滿足上層70%，或者沒有達到其他樓層側向剛度80%。除過頂層、出屋面小建筑外，局部收進水平向尺寸，大于下一層25%。豎向抗側力不連續，是豎向抗側力利用水平轉換構件，逐漸向下傳輸結構。樓層承載力突變，是抗側力構建層間，受到剪承載力不滿足上層80%。不規則建筑結構設計，具備特殊性要求，必須滿足規范要求、造型與功能要求，同時要進行規范外計算分析，消除常規限制，建設優質、可靠項目[2-3]。

2 高層建筑不規則結構的標準

針對不規則高層建筑來說，整體設計復雜度大。在規劃設計中，不合理處理整體結構，就會影響高層建筑結構穩定性，從而影響建筑施工與運營壽命。高層建筑設計領域法律的出臺，提升了不規則高層建筑結構設計要求。按照高層建筑抗震規范與要求，不規則高層建筑結構劃分為一般類、特殊類、嚴重類。一般類不規則，滿足相關標準要求，遵循規范要求加強設計質量。特殊類，經過專家論證處理后，綜合考量項目結構設計，遵循抗震要求、結構設計要求，落實各項加強措施。嚴重類不規則，是不滿足規范標準，必須進行整改與調整的設計。所以在不規則高層建筑結構設計期間，應當規避嚴重不規則問題，保證結構不規則度滿足規范要求。

3 高層建筑不規則結構設計要點

不規則高層建筑結構設計，應當按照不規則類型與方法實施，采取科學措施予以處理。不規則高層建筑結構設計中，可以采取以下措施：

3.1 減小結構相對偏心距

針對高層建筑來說，減小相對偏心距，可以降低建筑結構逆轉效應。減少偏心距方法，涉及調整不規則平面布局、減小樓層位移比、調整結構抗側力構件。建筑偏心距，通常與扭轉效應呈現線性關系，可采取科學措施降低偏心距，控制結構扭轉效應，加強建筑結構穩固性。注重調整結構不規則布局，做好科學化計算，選擇最佳平面布局方案，科學控制相對偏心距。注重調整對抗側力構件，確保建筑整體結構剛度分布均衡，加強建筑結構質量。

3.2 調整結構抗側、抗扭剛度

按照相關學者研究可知，建筑結構扭轉效應、結構周期比平，具備線性關系。按照此種特性，能夠調整結構抗側剛度、抗扭剛度比，降低結構扭轉效應。為了實現該類目的，應用加強、加厚剪力墻方式，也可以在建筑結構邊上方拉設梁。

3.3 加強抗扭構件抗剪力

在不規則高層建筑中，抗震性能是通過審核的重點。為了優化不規則高層建筑結構設計，必須加強建筑抗震性能。為了加強建筑抗震性能，不能只調整結構布設。地震波所致建筑破壞不規則，不同時期地震波形式不同，地震波對建筑不規則性作用力，會增加建筑構件剪力，當建筑構件問題較多時，則會破壞建筑性能。

3.4 防震縫設計

防震縫，可以使建筑結構成為獨立結構單元，有助于加強建筑結構穩固性。高層建筑設計中，防震縫所發揮出的作用效果顯著。高層建筑防震縫，按照不同建筑結構設計，利用防震縫設計，可以減少地震對結構的不良影響。在地震災害中，因地震波所致鄰近基礎結構破壞，則防震縫可以控制破壞力傳輸，形成沉降縫，防止建筑坍塌[4]。

4 不規則高層建筑結構設計實踐

4.1 工程概況

某地區綜合體建筑，由塔樓與裙樓組成。塔樓地上國有45 層，建筑高度為207.4m，包括大廳、辦公用房、配套用房、客房、餐廳等。塔樓不設縫，與裙樓地下室為一體建筑，地下建筑共為3 層。該建筑為典型的不規則結構建筑，因此需要做好詳細規劃與設計。

4.2 結構設計參數

在此次工程項目中，設計基準期、使用年限為50年，結構設計參數如表1 所示：

表1 結構設計參數

4.3 結構不規則情況

該工程項目結構高度為B 級，包含一般不規則項2 項：

第一，塔樓二層、三層彈性水平位移，超過樓層兩端彈性水平位移值1.2 倍，樓層偏心率大于0.15。結構首層樓板有效寬度，不滿足總寬度50%，開洞面積大于總面積30%。所以，存在兩項滿足平面不規則標準。

第二，塔樓31 層高度突變，側向剛度比不滿足標準要求，所以有1 項不滿足豎向不規則要求。

4.4 結構性能目標

深入分析場地條件、抗震設防因素，項目將結構性能目標設置為C～D。其中，C 級性能目標：建筑結構在中震、大震影響下，可以滿足3 級、4 級抗震要求；D 級性能目標，等級要求最低，建筑結構在中震、大震影響下，可以滿足4 級、5 級抗震要求，結構損壞嚴重，但是不會出現倒塌、危害生命等問題。針對多遇地震，層間位移角限值為1/615。核心筒底部、框架柱、連梁、框架梁均為彈性。設防地震，核心筒底部、框架柱為抗剪彈性，連梁為可彎曲屈服，框架梁為部分可彎曲屈服。針對罕見地震，層間位移角限值為1/100，核心筒底部、框架柱滿足抗剪截面控制要求，連梁為允許彎曲損壞，框架梁為可彎曲屈服。

4.5 結構方案設計

此次工程項目為框架-核心筒結構體系，形成雙重抗側力結構。

4.5.1 調整扭轉位移比

工程塔樓和裙樓，不設置防震縫。裙樓偏置塔樓一側，底部樓層扭轉位移比大于1.4，通過常規方式調整偏心距，不能減小轉位移比。通過相關分析可知，工程豎向體型收進，塔樓標準層、裙樓部分位置的地震作用、結構剛度差異大。按照相關分析可知，假設扭轉位移比與剛度、資糧、裙樓剛度、地震力因素相關，只調整樓層結構構件剛度，不會影響結構總質量、質量分布，也不會影響整體結構周期。建筑結構設計中，扭轉位移比分為無偏心、正偶然偏心、負偶然偏心。以四層為例，計算表示正偶然偏心>無偏心>負偶然偏心，因此正偶然偏心工況不佳，通過增加裙樓剛度，能夠減小正偶然偏心。工程經過調整后，可以確保扭轉位移比小于1.4。

4.5.2 結構布置

在工程項目中，塔樓、核心筒平面為長方形，結構高寬比為14.9、6.4，構件布設如下：框架柱：應用型鋼混凝土柱，建筑20-21 層為過渡層，內柱以構造含鋼率為主；鋼筋混凝土柱；柱體截面則由（1700×1700）mm逐漸過渡到（800×800）mm；底部柱軸壓比小于0.7；混凝土強度為C60 與C40。框架梁：底部邊框架梁高度為1000mm，其余位置高度為800mm，內框架梁高度為700mm～800mm，次梁高度為600mm。核心筒剪力墻：底層至屋頂層，外墻厚度為400mm～850mm，內墻厚度為250mm～600mm，剪力墻軸壓比小于0.5，混凝土強度等級為C40。樓板：地下室頂板厚度為175mm，其他樓板厚度為110mm。一層與二層樓板大開洞，局部厚度為140mm。

4.5.3 基礎設計

按照工程概況，塔樓、裙樓設計為天然基礎、墻柱下樁筏基礎、抗拔樁，分析沉降差異。裙樓、塔樓、地庫間，設置沉降后澆帶[5]。

4.6 計算整體結構

此次工程項目應用標準化計算軟件，分析小震災害下，振型分解反應譜，兩種計算方法的結果相同。按照分析結果顯示，最小層剛度比，遵循標準規范控制，出現側向剛度超限問題。應用YJK 標準軟件分析小震彈性時程，按照結果顯示，在時程波影響下，樓層剪力平均值為39-45 層，明顯大于CQC 計算結果。應用CQC 計算方法時，部分樓層地震力放大系數為1.1-1.3。結構首層樓板大開洞，分析專項受力性能，判斷中震作用下，首層樓板正應力區域，小于C35 混凝土軸心拉拔強度標準值，個別應力集中點、具備核心筒區域，樓板應力比較大，需要應用科學加強措施，優化樓板配筋與厚度。Ⅰ區首層樓板厚度130mm，Ⅱ區首層樓板厚度150mm，Ⅲ區首層樓板厚度150mm，雙層雙向配筋，Ⅰ區附加單層配筋率大于0.28%，Ⅱ區附加單層配筋率大于0.55%，Ⅲ區附加單層配筋率大于0.55%。

4.7 結構抗震性能設計

工程項目應用等效線性方法，對顯示墻體、框架柱抗震性能目標予以驗算，使用SAUSAGE 軟件，分析大震動力彈塑性時程，結果顯示，建筑工程在大地震災害下，可以實現不倒塌目標。

5 結語

綜上所述，城市化發展期間，為了滿足特定功能、特定造型需求，建筑結構出現水平不規則、豎向不規則情況。不規則高層建筑造型特殊，存在抗震不利條件，必須規范結構布置與計算分析，采取科學化加強措施，確保結構使用可靠性與安全性，確保建筑抗震性能滿足標準。