平面不规则高层建筑结构设计分析

时间：2024-05-17

（中山中瑞建筑装饰工程有限公司，广东中山 528400）

平面不规则高层建筑结构设计分析

陈新军

（中山中瑞建筑装饰工程有限公司，广东中山 528400）

随着建筑行业的不断发展，建筑类型和高度不断增加，在建筑结构中出现了一些平面不规则高层建筑结构设计，为城市建筑带来了全新的面貌，同时也给设计人员带来很大的挑战，本文主要以具体实例分析平面不规则高层建筑结构的设计，希望能为相关人员带来些帮助。

高层建筑；平面不规则设计；构件设计

在高层建筑结构设计中，对于平面布置需要充分考虑规则性，若是采用平面不规则设计，就会造成平面刚度中心和质量中心不在一个点，因此在平面不规则高层建筑结构的设计中需要重点考虑扭矩的问题，本文主要分析平面不规则高层建筑结构设计。

1 高层建筑平面不规则结构设计问题

高层建筑平面不规则设计产生扭转效应的原因包括外来因素的干扰以及建筑本身的结构设计，外因因素的干扰，如地震波等因素的存在，导致地面的周期和相位不同，转动分量的存在就会使建筑结构产生扭转效应。建筑自身结构也会产生这种扭转效应，在一般的建筑结构中，通常是把建筑结构简化成一种平面的模型，这种分析方法并不是说不可以，不过是不太适合使用在不规则平面设计中，这是因为建筑平面不规则设计质量中心和刚度中心并重合。

在高层建筑平面不规则设计中，控制扭转效应需要考虑到控制指标以及周期比等，周期的控制需要确保建筑结构具有足够强的抗扭刚度，位移比的控制则是反映结构的对称性以及质量刚度等。

2 工程概述

图1 1～3层结构平面图

某工程建筑面积11457.3m2，共21层高66.12m，地下室1层～地上3层是商业广场，层高3.6m，以上楼层为住宅区，层高3m。工程采用框架-剪力墙结构设计，采用平面不规则、扭矩不规则设计，合理的剪力墙能够提高建筑的稳定性，需要对建筑结构设计中的薄弱部分采取抗震构造设计，1～3层结构平面和4层以上结构平面图如图1和图2所示。

图2 4层以上结构平面图

工程在建筑中中分是用了电梯等，嵌入剪力墙，满足下部商场和上部民用建筑的同时，保证构件的连续性。剪力墙在设计中，纵横面力求平衡，提高抗震性能，为减小扭转效应需要优化调整周边潜力强长度以及宽度设计。地下室顶板厚180mm，采用了双层双向配置，配筋率0.25%。核心结构外力剪力墙厚度从上往下分别为200、250、300、350mm，相应的剪力墙截面尺寸为500、600、700mm。楼面设暗梁，宽度超过墙宽度至少600mm，按照框架梁计算配筋，剪力墙边框的暗梁宽度与墙宽相等，高度是墙宽的两倍。楼板竖向体型突出部位厚度为150mm，上下层楼板厚度为130mm，配筋率超过0.25%.

表1 振型周期参数

3 架构整体计算

该建筑工程使用年限为50年，抗震等级为8度、第三组，预计设计地震加速度数值设定为0.2，建筑场地特征周期为0.45s，一般地震影响系数不超过0.16，最大为0.9，属于一级抗震等级，地面粗糙度为B类设计。楼面设计依照实际情况设定为居民楼2.0kN/m2，楼梯间荷载围为3.5kN/m2，卫生间荷载为2.0kN/m2，阳台荷载为2.5kN/m2，要求上人屋面荷载达到2.0kN/m2。结构整体计算采用SATWE和PMSAP软件计算，SATWE最大地震效应角度角为45.285度，PMSAP计算结果与之很接近，取15个结构计算振型，X向和Y向的有效质量系数分别设定为98.66%、99.92%，结构第一振型和第二阵型分别为X向平动、Y向平动，第三振型为扭转，振型周期计算参数见表1。

风荷载和地震作用下，满足高规设定要求。建筑总质量为15104.541t，X向和Y向最小建立系数分别为5.09%、5.26%，大于3.2%，满足规定要求。在双向震动作用下，考虑到偶然偏心因素，最大弹性层间位移与楼间平均层间位移比为1.39：1.21，满足要求。

X向与Y向结构各层竖向层与层之间的刚度满足高俅，结构竖向不存在薄弱层，地下室和一层X向和Y向的刚度比满足要求。X向和Y向层与层之间抗剪承载力比值范围分别在0.900～1.340、0.900～1.330，满足要求。

4 结构不规则设计措施

在此设计中为提高薄弱地区的抗扭性能，竖向体型突变部位厚度设定为1800mm，钢筋设计采用双层双向通长设计，配筋率大于0.30%.工程在4～21层民用建筑的设计中平面凸出长度为11.3m，加强凸出位置的楼板厚度和配筋率。由于此建筑的上下层之间作用不同，因此在4层以上的平面结构部分收近高度11.1m，收进后的平面宽度为12.7m，满足要求。

结构薄弱层在多遇地震情况下，剪力值设计乘与最大系数，楼层剪力墙的设计采用中震不屈服分析的计算剪力。相邻两层之间的框架柱与剪力墙的尺寸面积相等，所采用的混凝土等级相同。为减少结构的扭转效应，剪力墙的布置要求均匀对称，并在此基础上加强周边剪力墙的抗侧刚度，经过计算本工程，X向和Y向的质量中心和刚度中心分距离别为0.01～0.07m、0.05～0.37m，对应的建筑物边长分别为0.27%、1.50%。

在工程设计中采用了转角窗的设计，削弱了结构的抗扭性能，属于薄弱环节设计，容易出现结构的局部破坏现象，在设计中，转角窗的两侧设置剪力墙，加强楼板板筋的配置率，并在洞口边缘的端柱之间设置暗梁，提高抗扭性能。

在中震不屈服的设计中，为了提高建筑结构的塑性耗能能力，地震影响系数取最大值0.45，为了保证结构安全，设计采用弹性力时程分析法补充计算，内置特征周期为0.45s，地震加速度是程曲线最大为70cm/s2，加速度依照最大1：0.85取值。