不規則建筑結構優化分析

單玉坤，劉莉娜

（天津大學建筑設計研究總院有限公司，天津 300017）

隨著建筑業的發展，立面及平面不規則的建筑越來越多，某些高層建筑因結構布置不合理導致結構超限，從而需要進行超限相關設計計算及補充性能化設計分析，不僅增加了設計周期，還增加混凝土和鋼筋用量，從而增加造價［1］。在不影響建筑功能及立面效果的前提下，針對結構自身特點進行優化，使結構體系滿足國家及地方抗震規范的要求，保證結構具有良好的抗震性能，做到結構合理、經濟性最佳。

1 工程概況

天津某酒店地上10層、局部11層，地下1層，地上建筑面積9 457.50 m2，地下建筑面積1 309.34 m2，建筑總高度43.40 m。一層層高6 m；二層層高5.1 m；3～10層層高均為4 m；局部11層為設備用房。

工程建筑設計使用年限為50 a，建筑結構安全等級二級，結構重要性系數γ0=1.0。抗震設防烈度為8度，0.20g，地震分組為第二組，抗震設防類別為標準設防，場地類別Ⅳ類，特征周期0.75 s；基本風壓按50 a重現期取0.55 kN/m2，地面粗糙度為B類。結構嵌固部位為首層結構樓板。

2 超限問題分析

本工程設防烈度高、地基土軟弱、特征周期長，地震力作用大，經過方案比選，主體采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系。首先結合建筑平面布置，在樓梯、電梯間附近設置剪力墻，再結合平面功能及建筑立面，在合適的位置根據規范［2］要求設置一定數量的剪力墻，保證兩個方向剪力墻布置均勻，受力合理。標準層剪力墻厚度均為300 mm，框架柱截面700 mm×700 mm，內部框架梁高700 mm。

對照天津市“建設工程超限判定表”（以下稱“判定表”），從平面布置規則性、樓板是否連續、是否存在剛度突變等方面進行逐一分析并根據不規則程度進行評分，累計評分達到3分則判定為超限高層。結合計算結果及項目特點，對結構可能存在的不規則項進行結構優化［3］，使得結構布置更為合理，避免成為超限高層。

2.1 平面規則性判定

從塔樓是否偏置、扭轉規則性、偏心布置、扭轉剛度、凹凸不規則、樓板是否連續，6方面進行判定并進行細化評分，要想規避“超限高層建筑工程”，就要控制其不規則類型少于3項［4］。

2.1.1 塔樓偏置

大底盤塔樓偏置結構是一種抗震不利的復雜結構形式。大底盤塔樓偏置時，塔樓質心與裙房質心偏離，結構扭轉效應明顯，在地震作用下容易造成嚴重破壞，設計中應盡量避免或設縫將塔樓與裙房分開，使之受力簡單合理［5］。

本工程裙房地上二層，高度H1=11.10 m，H1/H=11.1/43.4=0.256＞0.2，若裙房和主樓連為整體，經計算塔樓與底盤的綜合質心偏心距大于底盤邊長的20%，屬于塔樓偏置結構，根據“判定表”，不規則項評分2分。

經分析，此部位設置抗震縫對建筑平面使用及立面效果均影響較小，故采取設置抗震縫的方案將裙房與主樓斷開進行處理。通過設置抗震縫高層主體部分無塔樓偏置問題，不規則項評分為0分。

2.1.2 扭轉規則性及偏心布置

經初步計算，局部樓層位移比1.19，接近1.2限值；同一樓層剛心與質心的偏心率為0.136 4，接近0.15限值。根據經驗，后期建筑功能詳細計算過程中，這兩項指標均存在超過限值的可能，依據“判定表”，兩項綜合計分，暫時判定為不規則項，不規則項評分為1分。

2.1.3 扭轉剛度

模型開始試算階段，計算扭轉周期比為0.91，超過規范［2，6］限值。結構周期比＞0.9即為特別不規則建筑［6］，一般通過增大周圈剛度的方式調整，結合建筑平面布局并考慮對立面的影響，調整周邊框架梁高至850 mm，提高了結構整體剛度，扭轉周期比調整至0.71，滿足規范要求［2］。不規則項評分為0分。

2.1.4 凹凸不規則

建筑平面呈L形，見圖1。

圖1 標準層平面

L/B=38.9/17.6=2.21＜3，l/b=16.1/10.85=1.48＜1.5，l/Bmax=16.1/33.7=0.48＞0.3,b/L=10.85/38.9=0.28＜0.3，結構平面凸出大于總尺寸的30%且凸出的寬度小于相應投影方向總尺寸的30%。此平面布置為建筑使用最優方案，不易調整，故此建筑屬于平面不規則,不規則項評分為1分。

2.1.5 樓板連續性

各個樓層均未設置較大洞口且樓梯、電梯設置所導致的洞口寬度遠小于此位置處典型樓板寬度的40%，樓板連續性良好，不規則項評分為0分。

2.2 豎向規則性判定

豎向不規則高層建筑，由于豎向剛度大、體型不均勻、出現突變等，地震下作用響應明顯，對結構安全有很大影響［7］。一般從結構是否剛度突變、承載力突變，是否層剛度偏小3方面進行判定。

經計算，結構的層間受剪承載力均大于相鄰上一層的80%，結構無承載力突變。各樓層與其相鄰上層側向剛度比均＞0.9，滿足要求［2］，無層剛度偏小的樓層；但首層底板為嵌固層，首層與二層X和Y方向剛度比分別為1.48、1.49，均不滿足＞1.5的要求［2］，屬于剛度突變。結構超限不規則項已得2分，若此處再評1分，則結構不規則項滿3分，判定為“規則性超限”的高層建筑工程［3］，需進行超限高層建筑抗震性能化設計。

結合建筑功能，將首層局部剪力墻厚度增加，提高結構首層的抗側剛度。經過調整，首層與二層X和Y方向剛度比為1.53、1.54，滿足規范要求［2］，結構無豎向剛度突變，不規則項評分為0分。

2.3 尺寸突變判定

因面積限制，十層平面收進，對是否存在尺寸突變進行判定。見圖2。

圖2 十層平面

收進部分面積與下部樓層面積比：16.1×10.85/(16.1×10.85+38.9×17.6)=0.203＜0.25，滿足上部收進的尺寸不大于相鄰下部樓層的25%要求且在此收進僅一層，位置位于建筑頂部，即設備層結構平面處，結合建筑立面，將框架結構向上延伸至頂層并設置框架梁故尺寸突變不超過“判定表”限值，不規則項評分為0分。見圖3。

圖3 設備層結構平面

2.4 其余不規則項判定

結合平面布局及立面設置進行分析，本建筑無局部懸挑結構、不存在錯層、加強層、轉換層等其他不規則項。

綜上，結構不規則程度評分總分為2分，不屬于超限高層建筑工程。

3 主體結構主要設計結果分析

考慮扭轉耦聯時主要振動周期、X和Y方向的平動系數、扭轉系數計算結果見表1。

表1 結構主要周期計算指標

第1扭轉周期（0.732 6）/第1平動周期（1.033 5）=0.71。

地震力作用下位移比及連梁剛度不折減模型下位移角見表2。

表2 結構主要位移計算指標

結構的第一、二周期均為平動周期且X和Y兩個方向剛度接近，扭轉周期比、位移角、位移比等指標均滿足規范［2,6,8］要求。

3 結語

1）通過“超限判定表”進行結構布置的各種不規則項分析，是確定結構是否超限、受力是否合理的便捷方法。

2）對接近或超過規范限值不多的情況，應進行進一步結構優化，盡可能避免結構設計為超限高層。

3）結構主要整體性指標，須結合規范要求逐一核查，使結構的經濟性和安全性同時得到保證。