高层建筑不规则结构设计探讨

前言

在高层建筑工程设计中，结构布置不规则的情况不断增多，中央电视台、深圳发展中心、上海希尔顿饭店等高层建筑均属于其中典型，而为了保证这类高层建筑能够兼具视觉效果与较高的安全性及稳定性，不规则结构设计必须得到重点关注，本文研究具备的较高现实意义可见一斑。

1高层建筑不规则结构设计类型划分

结合国内外开展相关理论研究和实践探索，本文将高层建筑不规则结构设计类型归纳为平面不规则结构、竖向不规则结构以及其他不规则结构三大类。

1.1平面不规则结构平面不规则结构可进一步细分为凹凸不规则、扭转不规则、楼板不连续，具体特征如下：①凹凸不规则。凹凸不规则结构主要特征包括凸出过细、凹进过多、平面狭长。凸出过细指的是一般情况下凸出部分长宽比在2.0以上，抗震设防烈度在Ⅷ度以上时该比值则在1.5以上；凹进过多指的是平面凹进一侧尺寸大于30%的相应投影方向总尺寸；平面狭长指的是平面长宽比在6.0以上，抗震设防烈度为Ⅷ度时该比值则在5.0以上。②扭转不规则。对于位移比大于1.2的高层建筑，可认为其存在平面扭转不规则。③楼板不规则。存在平面楼板不规则的高层建筑一般具备四方面特征，即楼层错层较大（如较大错层面积大于该层总面积的30%时）、采用细腰形平面、开洞面积在该层楼面面积的30%以上，以及有效楼板宽度在开洞凹入后不超过该层楼板典型宽度50%[1]。

1.2竖向不规则结构竖向不规则结构可细分为侧向刚度不规则、楼层承载力突变、竖向抗侧力构件不连续，具体特征如下：①侧向刚度不规则。多种情况均可能导致高层建筑产生竖向不规则结构，如为了形成空旷房间，在结构顶部取消部分墙、柱；结构上部楼层，且上部楼层水平尺寸的90%大于下部楼层；当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度1与房屋高度之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸不宜小于下部楼层水平尺寸的75％；楼层侧向刚度小于其上相邻三层平均值的80%，或小于相邻上部楼层70%。②楼层承载力突变。对于A级高层建筑来说，如层间受剪承载力比在0.8以下，即可认定其存在楼层承载力突变，B级高层建筑则小于0.75。③竖向抗侧力构件不连续。水平转换构件会向下传递竖向抗侧力构件的内力，这同样属于高层建筑竖向不规则结构的重要特征之一。

1.3其他不规则结构复杂高层结构、超规范结构同样可被纳入不规则结构范畴，具体划分如下：①复杂高层结构。如高层建筑存在多塔楼结构、错层结构、连体结构，或带有加强层结构或转换层结构，即可认定其存在结构不规则。②超规范结构。对于存在新型结构、超限结构、超高结构的高层建筑，也可以认定其存在结构不规则，这里的新型结构指的是规范未涉及，采用新技术、新工艺、新材料建造的结构；超限结构指的是超过了规范规定限值；超高结构则是指超过了规范规定的最大高度。值得注意的是，无论超规范结构高层建筑的平面、立面是否规则，均需要从严设计审查，将其视作不规则结构[2]。

2高层建筑不规则结构设计要点总结

为保证高层建筑不规则结构设计质量，需关注严格控制参数、开展针对性设计计算、强化抗震措施等设计要点。

2.1严格控制参数为实现高水平的高层建筑不规则结构评测、分析、控制，一些重要控制参数必须得到重视，以通用的有限元分析软件SATWE为例，位移比、周期比、侧向刚度比、层间受剪承载力比等参数的限值及调整要求必须得到重视，具体控制如下：①位移比。位移比也被称作层间位移比，指的是按刚性楼板假定计算楼层的最大层间位移（或水平位移）与该楼层两端平均层间位移（或水平位移）的比值，该参数能够有效控制高层建筑结构平面的不规则性。一般情况下规则结构的位移比应控制在1.2内，A级不规则结构高层建筑的位移比也不应超过1.5，B级及转换、连体、多塔等复杂高层则应控制在1.4内。通过应用SATWE软件输出考虑偶然偏心影响、单双向地震的位移比即可更好为不规则结构设计提供支持，工程实际必须在设计中得到重点体现。②周期比。周期比指的是第一自振周期（以结构扭转为主）Tt与第一自振周期（以平动为主）Tl的比值，该参数可有效控制结构扭转效应。在高层建筑不规则结构设计中，通过严格控制周期比，即可保证结构平动变形在结构扭转变形之上，地震作用下的主振动效应也能够由此得到较好控制，最终实现结构扭转破坏的预防。对于A级不规则结构的高层建筑来说，周期比应控制在0.9内，B级及转换、连体、多塔等复杂高层则应控制在0.85内，考虑到SATWE软件的限制，设计人员需基于各振型特征与计算结果进行判断，必要时需通过改进结构设计方案解决周期比不满足要求情况，如进行内部主体结构的弱化、对周边主体结构进行加强。③侧向刚度比。该指标指的是相邻楼层间侧向刚度的比值，通过该参数可有效控制高层建筑的结构竖向不规则。结合上文围绕侧向刚度不规则开展的论述，如出现侧向刚度比指标无法满足规范要求情况，即可初步确定高层建筑的竖向不规则结构存在薄弱层，其地震剪力需乘以1.25的增大系数。通过应用SATWE软件，即可实现侧向刚度比的自动计算、地震剪力的自动放大。④层间受剪承载力比。该参数指的是相邻楼层间抗侧力结构受剪承载力的比值，通过该参数可有效控制高层建筑存在的结构竖向不规则。一般来说该参数需控制在0.8及以上，A级不规则结构高层建筑则需要控制在0.65以上，B级需控制建筑•节能在0.75以上。如层间受剪承载力比小于规范值，即可初步判断高层建筑存在结构薄弱层，这种情况下同样需放大地震剪力，SATWE软件可较好服务于层间受剪承载力比的计算、确定和控制[3]。

2.2开展针对性设计计算对于高层建筑不规则结构设计来说，很多时候简单放大地震剪力或调整计算参数无法满足建筑需要，这种情况下必须进行设计方案的修改，如调整结构方案、设置滑动铰支撑或防震缝、设置拉梁或拉板等，“三水准抗震设防，两阶段抗震设计”抗震设计思想也需要得到充分应用。在针对性的设计计算中，应针对性应用底部剪力法、振型分解反应谱法、弹性时程分析法，并针对性强化抗震措施，抗震计算中的计算参数设置和特殊构件定义也需要得到重视。

3基于L型平面不规则高层建筑结构设计的探讨

3.1设计方法L型平面不规则高层建筑结构设计需严格遵循《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）要求，而为了保证建筑的抗震性能，可采用基于性能的抗震设计，以此实现结构对延性、刚度、强度的合理统一，具体设计从能力谱法、控制延性的方法、直接基于位移的方法三种主要思路进行抗震设计。

3.2实例分析以某地高71.6m的L型平面不规则高层建筑作为研究对象，该建筑采用框架-剪力墙结构，地震分组为第一组、基本地震加速度值为0.20g、抗震设防烈度为八度、建筑场地类别为二类、地基基础设计等级为甲级、建筑工程等级为一级，考虑到建筑具备的L型平面不规则特点，因此可判断其质量中心与刚度中心不重合，较高的偏心距因此出现，且建筑会在地震作用下产生较为明显的扭转效应，因此设计将剪力墙均匀布置在建筑恒载较大及平面形状变化较大部位，以及楼梯间、电梯间以及建筑物的周边附近，剪力墙的间距也得到了较好控制。分别为建筑裙房三层结构层平面图、塔楼七~八层结构层平面图，设计采用PMCAD建立整栋模型，共建立标准差平面模型17个，地下室结构层为第一标准层，裙房结构层为第二到第四标准层，L型塔楼结构层为第五到第十七标准层。考虑到建筑抗震设防类别为丙类、高度为A级、抗震设防烈度为Ⅷ度，因此设计将基本地震加速度值、特征周期、水平地震影响系数最大值分别设定为0.20g、0.35s、0.16，考虑偶然偏心进行计算，双向地震作用下扭转影响、结构弹性动力时程分析也在计算中得到了充分体现，周期折减系数、结构的阻尼比设定考虑了活荷载不利布置影响，最终分别设定为0.78与0.05。基于PMCAD建立的结构模型生成SATWE数据，设计人员开展了内力和配筋计算，配合模态分析和时程分析，设计人员发现建筑属于扭转不规则建筑，由此开展的针对性优化设计最终较好保障了建筑的安全。

4结论

高层建筑不规则结构设计需考虑多方面因素影响，在此基础上，本文涉及的严格控制参数、开展针对性设计计算、强化抗震措施、L型平面不规则高层建筑结构设计等内容，则提供了可行性较高的不规则结构设计路径，而为了进一步提升设计质量，弹塑性模型的建立、弹塑性分析的开展必须得到重视。

相信经过以上的介绍，大家对高层建筑不规则结构设计探讨也是有了一定的认识。欢迎登陆鲁班乐标，查询更多相关信息