平面不規則高層建筑結構設計分析

（中山中瑞建筑裝飾工程有限公司，廣東 中山 528400）

平面不規則高層建筑結構設計分析

陳新軍

（中山中瑞建筑裝飾工程有限公司，廣東 中山 528400）

隨著建筑行業的不斷發展，建筑類型和高度不斷增加，在建筑結構中出現了一些平面不規則高層建筑結構設計，為城市建筑帶來了全新的面貌，同時也給設計人員帶來很大的挑戰，本文主要以具體實例分析平面不規則高層建筑結構的設計，希望能為相關人員帶來些幫助。

高層建筑；平面不規則設計；構件設計

在高層建筑結構設計中，對于平面布置需要充分考慮規則性，若是采用平面不規則設計，就會造成平面剛度中心和質量中心不在一個點，因此在平面不規則高層建筑結構的設計中需要重點考慮扭矩的問題，本文主要分析平面不規則高層建筑結構設計。

1 高層建筑平面不規則結構設計問題

高層建筑平面不規則設計產生扭轉效應的原因包括外來因素的干擾以及建筑本身的結構設計，外因因素的干擾，如地震波等因素的存在，導致地面的周期和相位不同，轉動分量的存在就會使建筑結構產生扭轉效應。建筑自身結構也會產生這種扭轉效應，在一般的建筑結構中，通常是把建筑結構簡化成一種平面的模型，這種分析方法并不是說不可以，不過是不太適合使用在不規則平面設計中，這是因為建筑平面不規則設計質量中心和剛度中心并重合。

在高層建筑平面不規則設計中，控制扭轉效應需要考慮到控制指標以及周期比等，周期的控制需要確保建筑結構具有足夠強的抗扭剛度，位移比的控制則是反映結構的對稱性以及質量剛度等。

2 工程概述

圖1 1～3層結構平面圖

某工程建筑面積11457.3m2，共21層高66.12m，地下室1層～地上3層是商業廣場，層高3.6m，以上樓層為住宅區，層高3m。工程采用框架-剪力墻結構設計，采用平面不規則、扭矩不規則設計，合理的剪力墻能夠提高建筑的穩定性，需要對建筑結構設計中的薄弱部分采取抗震構造設計，1～3層結構平面和4層以上結構平面圖如圖1和圖2所示。

圖2 4層以上結構平面圖

工程在建筑中中分是用了電梯等，嵌入剪力墻，滿足下部商場和上部民用建筑的同時，保證構件的連續性。剪力墻在設計中，縱橫面力求平衡，提高抗震性能，為減小扭轉效應需要優化調整周邊潛力強長度以及寬度設計。地下室頂板厚180mm，采用了雙層雙向配置，配筋率0.25%。核心結構外力剪力墻厚度從上往下分別為200、250、300、350mm，相應的剪力墻截面尺寸為500、600、700mm。樓面設暗梁，寬度超過墻寬度至少600mm，按照框架梁計算配筋，剪力墻邊框的暗梁寬度與墻寬相等，高度是墻寬的兩倍。樓板豎向體型突出部位厚度為150mm，上下層樓板厚度為130mm，配筋率超過0.25%.

表1 振型周期參數

3 架構整體計算

該建筑工程使用年限為50年，抗震等級為8度、第三組，預計設計地震加速度數值設定為0.2，建筑場地特征周期為0.45s，一般地震影響系數不超過0.16，最大為0.9，屬于一級抗震等級，地面粗糙度為B類設計。樓面設計依照實際情況設定為居民樓2.0kN/m2，樓梯間荷載圍為3.5kN/m2，衛生間荷載為2.0kN/m2，陽臺荷載為2.5kN/m2，要求上人屋面荷載達到2.0kN/m2。結構整體計算采用SATWE和PMSAP軟件計算，SATWE最大地震效應角度角為45.285度，PMSAP計算結果與之很接近，取15個結構計算振型，X向和Y向的有效質量系數分別設定為98.66%、99.92%，結構第一振型和第二陣型分別為X向平動、Y向平動，第三振型為扭轉，振型周期計算參數見表1。

風荷載和地震作用下，滿足高規設定要求。建筑總質量為15104.541t，X向和Y向最小建立系數分別為5.09%、5.26%，大于3.2%，滿足規定要求。在雙向震動作用下，考慮到偶然偏心因素，最大彈性層間位移與樓間平均層間位移比為1.39：1.21，滿足要求。

X向與Y向結構各層豎向層與層之間的剛度滿足高俅，結構豎向不存在薄弱層，地下室和一層X向和Y向的剛度比滿足要求。X向和Y向層與層之間抗剪承載力比值范圍分別在0.900～1.340、0.900～1.330，滿足要求。

4 結構不規則設計措施

在此設計中為提高薄弱地區的抗扭性能，豎向體型突變部位厚度設定為1800mm，鋼筋設計采用雙層雙向通長設計，配筋率大于0.30%.工程在4～21層民用建筑的設計中平面凸出長度為11.3m，加強凸出位置的樓板厚度和配筋率。由于此建筑的上下層之間作用不同，因此在4層以上的平面結構部分收近高度11.1m，收進后的平面寬度為12.7m，滿足要求。

結構薄弱層在多遇地震情況下，剪力值設計乘與最大系數，樓層剪力墻的設計采用中震不屈服分析的計算剪力。相鄰兩層之間的框架柱與剪力墻的尺寸面積相等，所采用的混凝土等級相同。為減少結構的扭轉效應，剪力墻的布置要求均勻對稱，并在此基礎上加強周邊剪力墻的抗側剛度，經過計算本工程，X向和Y向的質量中心和剛度中心分距離別為0.01～0.07m、0.05～0.37m，對應的建筑物邊長分別為0.27%、1.50%。

在工程設計中采用了轉角窗的設計，削弱了結構的抗扭性能，屬于薄弱環節設計，容易出現結構的局部破壞現象，在設計中，轉角窗的兩側設置剪力墻，加強樓板板筋的配置率，并在洞口邊緣的端柱之間設置暗梁，提高抗扭性能。

在中震不屈服的設計中，為了提高建筑結構的塑性耗能能力，地震影響系數取最大值0.45，為了保證結構安全，設計采用彈性力時程分析法補充計算，內置特征周期為0.45s，地震加速度是程曲線最大為70cm/s2，加速度依照最大1：0.85取值。

結語

綜上所述，本文先分析了高層建筑平面結構不規則結構設計出現的扭矩問題以及控制措施，重點以具體工程為例，說明平面不規則高層建筑結構設計，隨著高層建筑的不斷發展，大量的平面不規則設計的出現為建筑設計帶來很大的挑戰，在這方面還需要重點對待，提高建筑的安全使用性。

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