某不規則高層辦公樓結構設計

張偉 李原

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

1 工程概況

某辦公樓位于浙江省，主要功能是提供辦公室、會議室等辦公場所，以及機修車間人員辦公場所。基底面積2 624 m2，建筑面積為17 646 m2。由于場地限制平面呈三角形，建筑中心為中庭，無地下室。主體高度為8層，34.1 m，局部9層，與機修廠房相連的樓體共4層，屋頂高度16.7 m，其他兩面樓體為豎向體型收進，屋頂高度34.1 m。本工程的抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度、第一組。設計基本地震加速度為0.05g，場地類別為Ⅲ類。結構形式采用混凝土框架結構，框架結構抗震等級為三級。

2 超限分析及相應的結構措施

2.1 平面不規則——樓板局部不連續

由于辦公樓建筑設計設有中庭，使得建筑平面中部開有較大面積洞口，使得樓面開洞尺寸超過樓面寬度的一半。結構平面布置如圖1所示。這使得結構在平面上產生了樓板局部不連續的情況。為了解決這一問題，我們首先在結構設計方面加大了邊梁的截面尺寸并增大其配筋，用以增強結構的整體剛度，這樣有利于結構水平力的傳遞;其次結構計算模型選擇方面，為了考慮因樓板開洞削弱而產生的平面內變形，選用能考慮樓板變形影響的設計軟件(SATWE程序)進行整體內力分析，計算時采用能更真實地反映結構的受力情況彈性樓板假定模型。

2.2 豎向不規則——豎向側向剛度不規則、豎向體型收進

該辦公樓在與機修廠房相連接處為4層，其他兩側為8層，結構豎向整體收進效果如同大底盤單塔建筑，形成局部水平收進尺寸大于相鄰下一層的25%，造成豎向剛度不規則，如圖2所示，此外其他兩側的8層建筑由于建筑需要休息平臺立面上也存在退臺，造成結構也存在豎向體型收進。針對豎向不規則，采取了以下措施:1)相當于大底盤頂部的與機修廠房相連處屋面樓板及兩側樓板加大板厚到120 mm～130 mm，同時加大樓面梁的截面及配筋，這樣增強了三部分樓體變形協調能力。2)增強結構豎向體型收進部分框架結構柱配筋，削弱由于收進造成的結構剛度變化。3)在進行結構內力計算時，相當于大底盤部分的與機修廠房相連部分屋面樓板及兩側樓板在計算時選擇能反映樓板真實剛度的彈性板進行計算。

3 結構計算及結果

該工程體型和結構布置相對復雜，且屬于復雜高層建筑，故此采用“扭轉耦聯振型分解反應譜法”進行結構整體多遇地震作用下彈性分析。與此同時由于結構平面為三角形，扭轉影響會比較明顯，這就要分別考慮偶然偏心影響和雙向地震作用下對結構扭轉產生的影響。這些計算均采用多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件SATWE。

圖1 二層結構平面布置圖

圖2 建筑立面圖

3.1 結構剛度與質心分布

由于本結構存在體型局部收進且收進層數多，位置復雜，體型的局部收進會使得樓質量和剛度分布也變得不均勻，結構扭轉影響將大大加強;收進的層數多會使結構振型相應復雜多樣，這些情況下高振型對結構內力的影響會比較明顯。為了明確這些不利情況對結構的影響情況，我們對本結構各層質心和剛心的平面位置進行了計算對比，該工程各層結構與底部結構質心的距離與底部相應邊長之比最大均出現在第8層，X向為11.4%，Y向為8%，按規范要求此值應不大于底部相應邊長的20%，均滿足規范要求，表明上部樓層和底部的剛度偏心符合規范要求。

3.2 振型個數確定

同樣由于結構中存在體型局部收進，與大底盤多塔結構性質近似，根據規范的要求這類結構振型數不應小于15，對多塔樓結構的陣型數不應小于塔樓數的9倍，且計算陣型數應使各振型參與質量之和不小于總質量的90%。本工程共8層局部9層振型數取為27個，X方向的型參與質量系數99.9%，Y方向的型參與質量系數99.9%，均達到90%的要求。

3.3 結構位移比

規范要求控制樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移不應大于該樓層平均值的1.5倍，是為避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應，來限制平面布置的不規則性。位移比控制計算應采用整體模型考慮整體各層之間的相互影響，按一個完整的系統進行分析，每層為一塊剛性樓板。具體計算各層及各種工況下的位移比最大值結果如表1所示。位移比均小于1.5，說明各塔樓在底盤平面上的布置是比較合理的。但位移比大于1.2，屬于不規則結構，結構構件內力分析和截面設計計算時還應按雙向地震作用。

表1 位移比結果

3.4 結構周期比

周期比控制的目的主要是控制結構在地震作用下的扭轉效應。以第一扭轉為主的自振周期Tt與第一平動為主的自振周期T1之比(以塔1為例)為0.859小于規范要求的0.9，表明結構抗側力構件平面是合理、有效的，計算結果見表2。

表2 周期比計算結果

4 結構構造措施

復雜高層結構設計中采用合理的構造措施與精確的計算對建筑安全的重要性同樣重要，但在抗震情況下構造措施會顯得更為重要。本工程為加強建筑物的抗震性能和整體剛度，構造上采用了以下措施如重要樓層板厚加厚加大并雙向配筋;開洞樓板處增加邊梁;豎向收進變化處的框架柱適當加大截面及配筋等，這些都有利的提高了結構的抗震性能。

5 結語

通過本工程實例可以看到建筑結構中平面不規則、豎向側向剛度不規則、豎向體型收進，對建筑物抗震不利，屬比較復雜的高層結構。為了解決超限問題，提高建筑的抗震能力，首先要在設計中注重概念設計，其次要針對不同的建筑結構選取合理的結構體系，再次在選取計算模型時要選擇能夠反映結構實際受力狀態的力學模型，此外設計中采取有效的構造措施也是至關重要的。這樣結構設計就會達到安全、合理、經濟。

［1］李國勝.多高層鋼筋混凝土結構設計中疑難問題的處理及算例［M］.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［2］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構設計規程［S］.