不規則高層建筑結構設計要點分析

招云杰

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，長沙 410000）

1 引言

在現代城市發展中，高層建筑已經成為不可或缺的一部分，在提高土地利用率等方面發揮著重要作用。然而，由于建筑高度的增加、功能的復雜化，結構造型越來越新穎，各種不規則情況屢見不鮮。與規則建筑相比，不規則高層建筑在地震作用下極易發生嚴重的結構破壞，由此對結構設計提出了更高的要求，本文主要圍繞此問題展開詳細分析。

2 不規則結構的定義

不規則結構的出現源于人們對建筑外形、功能的追求，其在達到高層建筑各種功能要求的同時，也滿足了視覺審美要求。然而，此種情況也給結構工程師帶來了巨大挑戰，不規則建筑結構的質心、剛心不重合，在地震作用下，極易發生較大的扭轉變形[1]。目前，根據JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）、GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016 年版，以下簡稱《抗規》）對不規則結構進行了如下劃分：

1）平面不規則：包括扭轉不規則、凹凸不規則、樓板局部不連續等情況。其中，扭轉不規則結構要求在規定水平力作用下，樓層最大彈性水平位移（或層間位移）超過兩端彈性水平位移（或層間位移）均值的1.2 倍；凹凸不規則結構要求平面凹進尺寸超過投影方向總尺寸的30%；樓板局部不連續則為樓板尺寸、平面剛度出現急劇變化[2]。

2）豎向不規則：包括豎向剛度不規則、豎向抗側力構件不連續、樓層承載力突變等情況。其中，豎向剛度不規則指該層側向剛度未達上一層的70%，或是未達其他3 個樓層側向剛度的80%，除了頂層、出屋面小建筑以外，局部收進水平向尺寸超過下一層的25%；豎向抗側力構件不連續主要是指豎向抗側力通過水平轉換構件朝下傳遞的結構；樓層承載力突變是指抗側力構件層間受剪承載力達不到上一層的80%[3]。

不規則高層建筑結構設計具有一定特殊性，不僅要在規范要求內進行，為滿足相關造型或功能要求時，還需完成一些超出規范要求的計算與分析，打破一些常規的限制，建造出更加優質、可靠的工程項目，本文圍繞工程案例針對此展開詳細分析。

3 高層建筑結構的不規則情況分析

3.1 工程概況

本項目為某綜合體建筑，由1 棟塔樓與裙樓組成，塔樓地上46 層，建筑高度為218.5 m，分為大堂（1 層）、酒店配套用房與商鋪（2～5 層）、辦公用房（6～31 層）、酒店客房（32～44 層）、酒店健身房與頂層餐廳（45～46 層）；裙樓為酒店配套，地上3 層（局部4 層），其與塔樓不設縫，塔樓與裙樓地下室連成一體，地下共計3 層。

3.2 結構設計參數

本項目結構設計基準期、設計使用年限均為50 a，結構設計主要參數見表1。

表1 本項目結構設計主要參數

3.3 結構不規則情況

本項目結構高度為超B 級，共有3 項一般不規則項，具體如下：

1）塔樓2～3 層最大彈性水平位移，超過樓層兩端彈性水平位移均值1.2 倍，樓層偏心率超過0.15（偏置裙樓）；結構首層樓板局部有效寬度不達總寬度的1/2，開洞面積超過總面積30%。由此，共計存在2 項符合平面不規則判斷原則。

2）塔樓31 層的增高存在突變的情況（突變至5.5 m），側向剛度比不滿足《高規》和《抗規》的要求。由此，存在1 項符合豎向不規則判斷原則。

3.4 結構性能目標

綜合考慮抗震設防與場地條件諸多因素，本項目將結構性能目標設定為C～D。C 級性能目標要求結構在中震、大震作用下分別滿足第3、4 抗震性能水準，結構中度損壞；D 級性能目標是最低等級，要求結構在中震、大震作用下分別滿足第4、5 抗震性能水準，結構有較嚴重損壞，但不致倒塌或危及生命。本項目具體抗震性能目標見表2。

表2 本項目抗震性能設計目標

4 不規則高層建筑結構設計要點

4.1 結構方案設計

本工程為框架-核心筒結構體系，構成雙重抗側力結構（見圖1）。

圖1 雙重抗側力結構體系示意圖

4.1.1 扭轉位移比調整

本工程塔樓與裙樓不設防震縫，裙樓偏置塔樓一側，底部樓層扭轉位移比μ＞1.4，且采用常規手段對偏心距進行調整，無法減小轉位移比[4]。經分析，本工程豎向體型收進，地震作用與結構剛度在裙樓部分與塔樓標準層存在差異。

經分析，假設μ 值與以下因素相關：剛度、質量、地震力、裙樓部分剛度、地震力等。經由分析顯示，只對相關樓層結構構件剛度調整時，對結構質量分布、總質量的影響較小，且對整體結構周期影響不大[5]。在結構設計中，μ 值可分為3 種情況：（1）無偏心μ0；（2）正偶然偏心μ1；（3）負偶然偏心μ2。以4層為例，初步計算顯示μ1＞μ0＞μ2，也就是μ1為最不利工況，經計算顯示增加裙樓剛度可減小μ1。本工程經由調整后最終實現μ＜1.4。

4.1.2 結構布置

本工程中塔樓、核心筒平面均呈長方形，結構高寬比分別為6.4、14.9（最大），各個構件布置如下：

1）框架柱：采用型鋼混凝土柱（1～22 層，其中21～22 層為過渡層，內柱按構造含鋼率設計）+鋼筋混凝土柱（23～46 層）；柱體截面由底層1 700 mm×1 700 mm 逐漸過渡至800 mm×800 mm；底部柱軸壓比≤0.70（短柱≤0.65）；混凝土強度等級為C60（基礎～15 層）+C40（16～46 層）。

2）核心筒剪力墻：底層至屋頂層，外墻墻厚呈850～400 mm，內墻墻厚呈600～250 mm；剪力墻軸壓比≤0.5；混凝土強度等級與框架柱一致。

3）框架梁：底部4 層邊框架梁高1 000 mm，其余800 mm；內框架梁高700～800 mm；次梁高600 mm。

4）樓板：地下室頂板厚度180 mm（局部250 mm），其他樓板120 mm；1 層、2 層樓板大開洞，局部加厚至150 mm。

4.1.3 基礎設計

根據項目情況，塔樓、裙樓設計為墻柱下樁筏基礎、天然基礎加抗拔樁，同時考慮沉降差異，塔樓、裙樓與周邊地庫間設沉降后澆帶。

4.2 結構整體計算分析

本項目選用MIDAS Building、YJK 軟件對結構開展小震振型分解反應譜（CQC）分析，2 種計算方法結果一致。分析顯示，最小層剛度比按《高規》和《抗規》從嚴控制，存在側向剛度超限問題；選用YJK 軟件對結構開展小震彈性時程分析，根據分析顯示7 組時程波作用下，樓層剪力均值在39～46 層超過大于CQC 法計算結果，采用CQC 法時，對此部分樓層確定地震力放大系數為1.1～1.3；結構首層樓板大開洞，實施專項受力性能分析，判斷中震作用下首層樓板正應力大部分區域小于C35 混凝土軸心抗拉強度標準值2.2 MPa，個別應力集中點、局部核心筒周邊區域，樓板應力較大，對此考慮采取針對性加強措施，調整樓板厚度、配筋[6，7]。如圖2 所示，A 區、B 區、C 區首層樓板厚度控制在130 mm、150 mm、150 mm，雙層雙向配筋，附加單層配筋率≥0.275%、≥0.55%、≥0.275%。

圖2 首層樓板抗震加強分區示意圖

4.3 結構抗震性能化設計

本項目采用等效線性方法，驗算顯示墻體、框架柱滿足抗震性能目標要求；選用SAUSAGE 軟件開展大震動力彈塑性時程分析，結果顯示可實現“大震不倒”抗震設防目標。

5 結語

綜上所述，現代城市發展中，為滿足一些造型或是特定功能需求，建筑結構出現水平或豎向布置不規則的情況。不規則建筑結構特殊，存在抗震不利的問題，必須規范、科學地進行結構布置與計算分析，并采取相應的加強措施，保證結構使用安全可靠，滿足抗震性能目標要求。