不規則高層建筑結構抗震分析

李剛

（太原理工大學建筑設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

伴隨城市化進程不斷推進，我國建筑工程技術得到持續發展，而當前社會生活狀態下人們對于建筑工程的要求越來越高，對于建筑功能的需求越來越多，在這種情況下，建筑形式不斷增多。為進一步提高土地利用率，高層建筑成為當前建筑工程的主要組成部分，而在各類高層建筑中不規則高層建筑是其中比較特殊的一種類型。不規則高層建筑是當前建筑工程的重要發展方向，其整體特性凸顯了建筑的形式特征，而且也能通過異形結構來滿足一些常規建筑工程無法達到的功能。但是不規則高層建筑在抗震性能方面還存在諸多問題，高層建筑如果抗震性能不達標，一旦受地震影響極容易出現建筑損毀的嚴重問題，為進一步提升建筑工程整體建設質量，本文將以某不規則高層建筑工程為例，對該類建筑工程的地震作用力解算以及在抗震性能方面存在的問題進行分析。

1 高層不規則建筑結構地震中狀態解算

1.1 利用時程分析進行解算

具有一定結構特征的物體在進行受力運動狀態分析的過程中需要對其運動微分方程進行分別求解，這樣才能夠得到比較完整的結構物體在力作用下的運動狀態情況。這種分析方式稱之為時程分析。想要了解高層不規則建筑結構的抗震能力，自然要明確其震中運動狀態，因此可以采取時程分析的方式進行解算。采取這一方式進行解算的過程中需要搜集該地區的具體地震參數，了解常見地震波情況后將地震參數與建筑結構設計參數直接輸入系統，通過系統的運動微積分計算來了解不規則高層建筑在該類地震中的運動情況并借此明確抗震性能。由于時程分析屬于完全動力分析，因此能夠詳盡了解該建筑中各主要應力點在地震中的運動情況，據此計算應力參數并明確振動對結構產生的影響[1]。時程分析既能夠給出相應的線性時間結構運動情況，同時也能直接分析地震中的加速度時程曲線，通過這些參數能夠直接得出各部位結構截面的抗震承載力以及受地震應力影響后的形變情況。

1.2 利用底部剪力法進行解算

等效單質點在水平地震力影響下產生的結構影響與正常的建筑工程在地震中所受剪力影響是一致的，因此在研究建筑結構在地震中所受作用力時可以采取這樣的替換研究方式來明確具體的抗震性能[2]。底部剪力法解算抗震性能時基于結構體系的自振特征以及地震加速度的最大反映函數，如圖1所示高點地震加速度較高，而低點地震加速度較低。在實際應用過程中底部剪力法雖然能夠在一定程度上反映地震中相關結構的載荷動作情況，但是對于動力響應方面的內容不能很好地進行表達，所以這種解算方式存在一定的局限性。該解算方法的優勢在于計算過程中的計算量相對比較小，各項計算中所需的參數容易明確，在使用過程中需要結合實際情況來分析是否適用[3]。

圖1 底部剪力法計算

1.3 利用反應譜法進行解算

反應譜法也叫振型分解反應譜法，該解算方式的核心就是單自由度體系的加速度數據。一般來講利用反應譜法對建筑結構在地震中的抗震性能進行計算能夠得出比較精確的參數，但是在多自由度體系之下想要獲取相應的抗震參數需要進行海量計算，而且需要錄入的參數種類和總量都比較大。利用這種計算方式能夠很好地消除建筑薄弱層，因為該計算能夠很好地明確建筑結構不同位置的剪切剛度以及位移量，從這些具體的數值之中就能夠有效分析出哪一部分屬于薄弱區域并可以針對具體參數來了解薄弱層載荷能力差的原因，這樣就可以在結構設計方面調整消除薄弱層[4]，如圖2所示。

圖2 不規則高層建筑在現代建筑工程中非常常見

2 針對高層不規則建筑結構抗震問題的分析

本文以某商廈為例，該商廈為混合功能建筑，包括地上25層以及地下2層，其中1～8層為商業用途，10～19層為辦公層，20～25層用作居住用途，-1～-2為地下停車場。其中商層去平均舉架高度為5.8m，辦公層和居住層舉架高度均為3.9m，地下停車場層高為3.0m。該建筑整體結構為剪力墻結構。在進行結構設計勘驗時發現本建筑對標高層建筑抗震相關標準時存在超限問題，現對相關問題進行分析解決。

2.1 扭轉受力不規則

剛度分布不均勻是導致扭轉受力不規則的核心原因，針對本建筑進行參數試驗時可發現辦公層和居住層均有部分樓層存在彈性水平位移量比值超限的情況，尤其是12、14、23、24這4層，其最大位移量和兩端位移量比值超限（大于1.2），這導致這幾層在地震受力過程中應力變化量與其他樓層不符，這會導致建筑整體在地震中存在扭轉不規則的嚴重問題，該問題會進一步導致其他應力載荷平面出現超出最大承載值的問題，因而抗震性能無法滿足要求。要解決該問題就必須從結構剛度分布入手，分析上述幾層的構件、邊梁、邊墻，解算這些主要承力部分的扭轉剛度，針對薄弱部分進行重點調整，同時根據整體效果進行相應的解算調整扭轉受力不規則的不利情況[5]。

2.2 高寬比大

相關規定對于高層建筑的高寬比有明確要求，超限的情況下其抗震性能無法滿足要求，在這種情況下，對本設計中的左塔與右塔高寬比進行計算，得出高寬比分別為7.59以及6.92，而國家規定高層建筑其整體高寬比不得大于6，很明顯本工程左右塔均已超限。在進行調整的過程中，采用時程分析的方式考慮地震水平力以及其他軸向力來對其進行計算，通過所得數據來分析當前設計下能夠承受的最大地震等級。針對不符合國標的問題，采取push over分析體系來計算地震位移量，通過明確地震位移量來調整墻柱結構，最大限度增強其延展性，在關鍵承力部位墻柱中增加加強筋，同時對承受較大剪力的構件進行進一步強化抗震性能。

2.3 平面不規則

從結構上來看，由于多通道樓梯的原因導致樓板樓梯開孔數量較多，本建筑地上1～8層采取每層3梯的方式進行設計，因此開孔較多，在結構剛性方面受到較大的影響。對于樓板而言，其剛性直接影響建筑整體抗震性能，樓板剛性高不僅能夠有效提升應對地震水平作用力的能力，而且對于其他軸向作用力也有更好的抵御能力。而在開孔較多的情況下，其結構整體性受到較大影響，尤其是孔洞周圍結構剛性下降比較嚴重。面對這種情況，在調整過程中主要采取剪力墻圍合的方式來進行剛性彌補，在調整過程中不僅在結構方面保障樓梯孔采取剪力墻圍合的方式來提升剛性，而且還要注意在樓板上做出調整，直接采用雙層雙向筋的方式來提高孔洞以外其他部分的結構剛性。

2.4 薄弱點明顯

根據結構參數實驗結果來看，該建筑19層為明顯薄弱點，該層從收進幅度來看其參數量比較大，已經形成了一定的不利位移，因此在調整過程中直接進行上下層剛度調節，保障18層以及20層的整體剛性，同時針對樓板進行調整，使用雙層雙向筋進行強化。檢查19層整層的剪力墻結構，重點對樓梯開孔處進行參數測試，通過強化剪力墻來有效提升整體結構剛性，消除抗震薄弱點。

3 結語

本文針對不規則高層建筑結構的抗震情況進行詳細分析，首先對此類建筑結構在地震中的受力狀況解算方式進行分析，明確具體的計算方式，而后對實際案例中的建筑抗震情況進行研究，所得參數發現該工程存在較多的超限情況，文中同步給出了相應的調整策略。希望本文所述相關內容能夠進一步推動高層不規則建筑的抗震設計研究。