平面不规则高层建筑结构设计探索

平面不规则高层建筑结构设计探索

吝晓珍常俊娥

吝晓珍常俊娥

河南景旭建筑工程有限公司河南安阳456550

摘要：近年来，随着建筑行业的迅猛发展，给建筑结构设计的工作人员增加了新的挑战，即出现了平面不规则的建筑。文章从建筑结构的不规则特征入手，探讨平面不规则的高层建筑结构设计，主要是不规则建筑结构设计的抗震设计，结合自己的工作经验，主要以平面不规则抗扭效应的设计进行介绍，保证在平面不规则的建筑结构设计中建筑物的质量。

关键词：平面不规则；高层建筑；建筑设计

1.不规则性在高层建筑结构的概述

从古至今，建筑主体随着时代的变迁发展成多种样式的变化，而建筑物的对称性一直是建筑物主体的核心部分。所谓建筑的对称性是指建筑物中抗侧力的肢体结构的对称。每座建筑物的建造都是由专业工程师进行严格精确的计算和平面设计功能相互辅助，合理布置使建筑物结构在最大程度上对称。建筑结构的不规则和不对称，在水平侧力的作用下，建筑物的结构会发生扭曲变形、荷载能力下降，而非结构异常工作，使其加大了结构的成本。结构不规则主要表现在以下几个方面：一是结构为斜向的抗侧力结构；二是结构不对称和质量不规则。而这就导致质心与刚新出现严重的偏离，进而将结构扭转。

当应力过于集中时，也会出现不对称性，尤其是在应力集中部位的结构受到较大水平力作用时，其受到的损坏十分严重。建筑物的设计、结构布置、施工建造、以及建成，对建筑物施工前的数据计算与分析，对设计结构的布置以及位移比等都是影响建筑整体结构因素。为使建筑结构布置的更加经济、合理、安全，设计师对建筑的设计不能只靠概念设计，加强对实际运用使不规则建筑调整为规则建筑。

2.高层建筑结构设计不规则性特征

2.1高层建筑平面不规则

扭转不规则。扭转不规则指的是高层建筑内部结构在水平载荷作用下产生的最大位移大于整体水平位移的结构形式。具体而言，扭转不规则的评定标准为，该结构在偏心载荷作用下产生的最大位移与平均位移的比值大于1.2。凹凸不规则。凹凸不规则是可以通过观察直接判定的，从观察者的角度看，这类不规则现象主要体现在主体结构平面狭长、凹凸不均等方面。具体而言，凹凸不规则评定标准为，该结构在照射条件下凹入部分尺寸大于投影尺寸30%。楼板不连续。楼板不连续指的是在高层建筑内部楼梯结构处，不同楼板的刚度不同，楼板体系存在较为明显的刚度差异。楼板不连续的评定标准为，高层建筑内部楼板的有效宽度大于典型宽度50%，开洞面积大于楼面面积的30%。

2.2高层建筑竖向不规则

（1）侧向刚度不规则。侧向刚度不规则指的是不同楼层间侧向刚度存在显著性差异，在承受竖向载荷情况下，不同楼层的轴向形变不同的结构现象。具体而言，侧向刚度不规则评定标准为，评价目标楼层侧向刚度小于上部楼层侧向刚度层的70%；评价目标楼层侧向刚度小于相邻上下楼层侧向刚度平均值80%。

（2）竖向抗侧力构件不连续。竖向抗侧力构件不连续指的是高层建筑垂直方向上结构构件在载荷作用下缩进或外挑程度不同的结构现象。具体而言，竖向抗侧力构件不连续的评定标准为，不同位置构建缩进差异大于25%，或外挑差异大于10%和4m。

（3）楼层承载力突变。楼层承载力突变指的是相邻楼层结构在接受外部应力作用的条件下，承载剪应力表现不同结构现象。具体而言，楼层承载力突变的评定标准为，评定目标楼层在检测过中剪应力承载水平波动变化超过80%水平。

2.3高层建筑自身结构不规则

高层建筑自身结构不规则指的是，在结构设计初始阶段，为了追求建筑造型的独特性其结构本身就是相对不规则的，并且建筑结构中不同位置所选用材料的不同，使得建筑结构的整体应力表现呈现不规则。具体而言，高层建筑自身结构不规则主要体现在建筑整体质心与轴线不重合、竖向载荷分布不均、水平侧移不一致扥系列问题上。同时，在具体的施工建设过程中，机械或认为的操作可能加剧这种不规则性的影响，从而是高层建筑整体刚度呈现出不可预测的变化，整体稳定性难以保证。

3.关于平面不规则性的定义与结构设计要点

3.1平面不规则性的定义

GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）规定的建筑平面不规则类型主要分为3种：1）规定水平力作用下，楼层最大弹性水平位移（或层间位移），超过1.2伊楼层两端弹性水平位移（或层间位移）均值；2）建筑平面凹进尺寸超过0.3伊相应投影方向总尺寸；3）主要表现为楼板尺寸、刚度出现急剧变化。

3.2平面不规则高层建筑结构设计要点

1）全面分析建筑项目概况、场地条件、设防标准以及规则性，根据规范对其不规则程度进行超限判别；2）根据项目综合分析结果进行结构方案选型、平面布置；3）借助各种计算软件开展结构整体计算分析，包括：用振型分解反应谱法分析多遇地震工况下的性能、开展罕遇地震下的弹塑性分析、进行楼板的应力分析工作，由此充分了解建筑抗震性能，找出薄弱环节，落实加强措施，实现建筑结构抗震目标[2]。

4.平面不规则高层建筑的结构设计实例

4.1工程概况

某商务大厦建筑面积为10.7伊104m2、平面尺寸121m伊62.1m、高度99.7m，地上30层、地下3层。地上1耀4层为商场；5层为架空花园层；6层为结构转换层，下部为整体大底盘，上部为2塔；7耀30层为公寓大厦。

4.2结构基本情况

本项目结构设计基本参数如下：设计基准期为50a；结构安全等级为二级；抗震设防类别为丙类；抗震设防烈度为6度；地面粗糙度为B类；基本风压为0.35kN/m2。根据相关规范条例分析可得：1）本项目平面突出部分长度与结构平面最大宽度之比为0.62（跃0.35），属于平面不规则中的组合平面；2）本项目高99.7m，属于超A级高层建筑；3）本项目楼层Y向位移比（偶然偏心工况）约1.5（跃1.2），属于扭转不规则。

由此可得，本项目存在多种不规则，结构设计难度较大，采用多模型、多软件对比分析方法。

4.3结构方案选型

本项目结构设计时，就是否设置防震缝问题进行了对比分析，拟在轴盂、轴榆间设缝，并进行了比较。根据分析可得，本项目转换层以上分缝，可部分改善位移比，但结构刚度下降，主要由于分缝造成右单元无筒体，Y向宽度很小（17m）且大部分墙体错位，Y向平动刚度不足，由此可知虽然周期比满足规范要求，位移比却大大超标。对此，最终决定采取不分缝结构方案。

4.4结构计算与分析

4.4.1结构整体计算本项目采用SATWE模型、ETABS模型进行整体计算分析。根据分析可知，2种模型计算结果较为接近，均较好地反应了结构在风、地震作用下的弹性受力性能。通过分析可得，本项目偶然偏心工况下Y向地震作用位移比达1.48，远远超过X向，其主要是结构X向边长（58.2m）大幅度超过Y向（48.9m），基于此适当减短轴舆墙体（减小至侧向刚度逸上层70%），位移比降至1.47，有害位移比约30%且位于转换层以上3层内，再进行适当加强即可。

4.4.2结构转换层刚度比计算

本项目通过SATWE模型、ETABS模型计算得到转换层刚度比值，并转换为转换层刚度与上一层刚度的60%的比值，2种计算结果差异大，但基本处于1耀1.08，满足规范要求，转换层无明显突变。

4.4.3转换层楼板应力分析

本项目利用ETABS对转换层楼板应力进行分析，据计算X向反应谱工况下楼板壳单元最大正应力：滓11=0.39MPa、滓22=0.04MPa，剪应力子=0.27MPa，均远小于楼板混凝土（C50，板厚200mm）抗拉强度。中震地震放大系数取2.875开展计算，也未超过楼板混凝土抗拉强度，同时，对Y向计算显示也满足要求，转换层楼板可有效传递水平剪力。

结语

综上所述，不规则建筑已经成为现代建设结构设计的重要对象之一，在进行此类建筑设计时，必须根据规范对相关不规则性进行判别，明确结构设计的重难点，做好结构平扭周期比、刚重比、位移比、剪重比等参数的计算分析，并积极采取相应的措施提高结构抗扭刚度、承载力，有效控制扭转不规则所带来的不利影响，保证结构安全性。

参考文献

[1]杨聪武，冯铭，曹志丹，等.某不规则高层建筑结构设计[J].建筑结构，2017(12)：74-77.

[2]叶立寰.高层建筑平面不规则结构设计探讨[J].建筑技术开发，2018(6)：4-5.