平面不規則高層建筑結構設計研究

宋修月

（貴州正業工程技術投資有限公司，貴州貴陽 550000）

如今，建筑層數越來越多，高度不斷提供，而且為滿足使用要求，建筑平面結構布置還可能出現不規則的情況，這無疑對結構設計提出了更高要求。基于此，在實際設計工作中，需要根據建筑工程實際情況，制定合理可行的結構設計方案，將平面不規則這一因素造成的影響降至最低。

1 工程概況

某高層建筑工程總建筑面積約2.7 萬平方米，整棟建筑的平面是一個等邊八字形，設1 層地下室，地上層數為33 層，在結構建模過程中若將電梯間和大水箱都考慮在內則為36 層，每層的層高相同，均為2.930m，建筑總高97.88m。建筑的屋頂設置有水箱，建筑中共配備三臺電梯。建筑場地的地勢相對平坦，從相關地質勘察報告可以得出，場地范圍內的淺層地下水主要為潛水，沒有發現任何污染源。該場地的地震設防烈度為Ⅶ，是典型的IV類場地。在地表下方15m 的深度范圍內，以砂質粉土與粉砂兩種成分為主，由于均未達到飽和，可忽略地基土液化方面的問題。以場地中地層實際分布情況為依據，該建筑工程樁基礎可將粉砂層作為持力層。通過對場地及其周圍環境條件的綜合考慮，該建筑樁基采用鉆孔灌注樁。考慮到該高層建筑工程的平面不規則，不同于常規高層建筑，所以對結構設計提出了更高的要求，結構設計必須根據工程的實際情況進行，以此保證設計的合理性與可行性，為后續的結構施工奠定良好基礎。現圍繞該平面不規則高層建筑工程實際情況，對其結構設計做如下深入分析。

2 基礎設計

該高層建筑工程的±0.000 標高和4.950m 的絕對標高相當，建筑地下室底板的實際標高是-6.420m，底板的厚度為2000mm，頂板的厚度為250mm，地下室實際埋深在5.600m 左右，外墻的厚度相同，均為350mm。如前所述，該高層建筑的基礎采用鉆孔灌注樁，采用強度等級為C35 的混凝土通過澆筑而成，設計樁長54m，設計樁徑700mm，將粉砂層作為樁基的持力層，樁端進入持力層的深度為3.2m 左右。根據相關試驗與測試結果，單樁極限承載力的標準值是6287kN，設計承載力數值是3900kN，灌注樁頂部標高是-6.320m，設計過程中主要接觸JCCAD 程序進行計算。經計算可知，該高層建筑工程的基礎設計可以達到要求[1]。

3 結構設計

3.1 結構抗震設防標準

該高層建筑工程的主要用途為住宅，建筑類別為丙類，以建筑所在地區的抗震設計相關規程為依據，該高層建筑工程需按照Ⅶ度進行設防，抗震等級確定為二級。

3.2 結構平面形成

為滿足工程建設方和設計單位提出的要求，每個樓層的樓板都要在三個地方進行開天井，這樣會使樓板上開出大口，產生與星型相類似的結構。因結構平面凹進側實際尺寸比投影方向上尺寸的1/3 大，水平方向凹槽為10.67m，則相同方向上的尺寸在33.37m 左右，所以開口可以達到32%。另外，平面中還存在三個大開口（除了電梯井和內天井的開口），連接部位樓板的寬度和單元外伸長度的比值大于1.0。在四個單元當中，有三個單元的外伸長寬比在1.0 以上，導致整個結構平面的布置都不規則，進而使樓板平面中的剛度顯著降低，影響樓蓋自身整體性，這是對結構整體抗震有很大影響的，必須在結構設計過程中引起結構工程師的高度重視，制定針對性措施及時且有效地處理[2]。

3.3 樓層結構布置

該高層建筑的上部結構形式以剪力墻為主，采用鋼筋混凝土通過現澆而成，為保證結構體系側向剛度實現均勻變化，墻厚需沿豎向不斷減小，這會使材料強度也不斷減小。該高層建筑地下室的外墻總厚為350mm，內墻厚度比外墻小，為300mm，采用強度等級為C40 的混凝土；地上1 層至地上5 層的內、外墻厚度相同，均為300mm，采用強度等級為C40 的混凝土；地上6 層至地上15 層的內墻厚度為250mm，外墻厚度比內墻大，為300mm，采用強度等級為C35 的混凝土；地上16 層至地上25 層的內、外墻厚度為250mm，采用強度等級為C30 的混凝土；地上26 層至地上33 層的內、外墻厚度為200mm，采用強度等級為C30 的混凝土[3]。

該高層建筑上部結構所有樓層的樓板厚度相同，均為120mm，地上30 層級以上由于設計需要將10-16、A-G 軸間房與1-8、M-R 軸間房都做成大開間，按L/35 考慮，板厚最大值為220mm。通過相應的驗算和分析，以上設計可以達到撓度和抗裂縫等方面的要求，能為之后的結構設計與施工奠定良好基礎。

3.4 抗震措施

考慮到該高層建筑的平面結構實際布置并不規則，故在實際的結構設計工作中，為保證結構整體抗震性能，必須結合實際情況制定并采取合理可行的抗震措施，這些抗震措施主要包括以下幾點：

（1）在結構布置設計過程中，應在條件允許的情況將邊緣處梁增高，并將凸窗部位的聯梁盡量做高，在所有樓層上的開口部位都設置拉梁，以此保證結構自身整體性，確保水平方向上的地震作用得以充分傳遞，減少或避免在地震作用和影響下產生的扭轉效應，保證結構安全和穩定性。

（2）建筑剪力墻處門窗洞口應做到上下對齊，且盡量做到一通到底，以此形成明確且清晰的聯梁及墻肢。

（3）適當對樓板進行加厚處理，用于減小樓板上的開洞尺寸，進而降低由于在樓板上進行開洞對結構抗震造成的影響。

（4）對于所有在結構平面上突出的部分，都對其根部的梁進行增高處理，以此提高結構完整性，保證抗震性能[4]。

（5）按照四層的間隔，在樓板上的開洞位置采用樓板連接，當初算結果不滿足要求時，可采用這一措施進行處理。

3.5 計算分析

結構計算主要采用以下兩種程序：SATWE 與PMSAP，同時采用TAT 對比。考慮到該高層建筑的平面結構為不規則形式，所以為保證計算模型與實際情況相符，在計算時需將各個樓層都定義成彈性樓板，以此減小誤差，同時充分考慮扭轉耦聯。

通過對比，采用PMSAP 進行計算得出的結果和采用SATWE計算得到的結果十分接近，根據不同參數結果可以看出，PMSAP模型對應的剛度結果只比SATME 略高，其原因主要為PMSAP采用的是多邊形單元，在計算過程中可進入整體結構當中進行分析，充分考慮了各樓層及構件之間存在的耦合作用，使結構剛度得以增大。而SATWE 除了考慮彈性樓板，還能對樓板平面以內和以外剛度進行計算，所以兩者在計算結果上存在一定差別，但差別不大。

因該高層建筑的結構布置和抗側剛度在豎直方向上的分布相對均勻，而且沒有產生明顯變化，通過對地震與風荷載持續作用下位移數據進行的分析，內力和位移都沿著豎直方向發生變化，但沒有突變。另外，由于電梯井處是一個筒體，受地震作用后，其側移曲線為彎剪形。對于地震作用條件下的最大層間位移和層高的比值，通過復核都在1/1000 以內，最大頂點位移和總高的比值，通過復核都在1/1100 以內。對于風荷載作用條件下的最大層間位移和層高的比值，通過復核都在1/1100 以內，而最大頂點位移和總高的比值，通過復核都在1/1200 以內。對于位移達到最大的樓層，其端角點位移和質心位置的比值，通過復查都在1.4 之內。

對于平面結構布置不規則的建筑，尤其是高層建筑，應按照抗震設計規范要求做好動力時程分析，在多遇地震條件下做好補充計算。該高層建筑工程主要模擬四條地震波。通過動力時程分析可知，受多遇地震作用后，配筋值可以達到設計和規范提出的要求。在地震作用條件下，樓層的層間位移，水平方向不超過71.2mm，豎直方向不超過66.3mm；位移角，水平方向不超過1/1151rad，豎直方向不超過1/1223；反應力，水平方向不超過1633.1kN，豎直方向不超過1630.9kN；剪力，水平方向不超過22404.6kN，豎直方向不超過21705.5kN；彎矩，水平方向不超過1450468kN·m，豎直方向不超過1433915kN·m。

4 結語

綜上所述，不規則平面結構在當前高層建筑中越來越常見，為保證結構穩定性和建筑安全性，必須進行專門的設計。目前，該平面不規則高層建筑工程的結構設計已經順利完成，且經計算分析，結構設計可以滿足要求，達到預期效果，所用設計方案合理可行，值得類似高層建筑工程參考借鑒。