1、不规则高层建筑结构的抗震研究 岂天晨 华北电力大学科技学院建筑工程系 摘 要： 近年来, 随着地质灾害频发, 对社会经济发展产生了深远影响, 人们对建筑的抗震要求也随之提高。抗震是建筑设计的重中之重, 合理的设计能够确保高层建筑结构在强度、刚度及耗能等方面能够达到最佳。高层建筑类型较多, 其中有一些具有不规则特点, 采取一般性抗震设计无法确保建筑安全、稳定, 如何对不规则高层建筑进行抗震设计受到了广泛关注。文章从不规则高层建筑结构特点入手, 并选取具体工程作为研究对象, 深入探讨不规则高层建筑结构抗震设计。关键词： 不规则; 高层建筑结构; 抗震; 现如今, 城市化建设进程不断深化, 高层建筑
2、如雨后春笋般出现在城市各个角落, 在缓解城市用地压力等方面发挥着积极作用, 也成为城市发展水平的重要标准之一。在众多高层建筑中, 不乏涉及到鸟巢、水立方、长城饭店等标新立异的建筑, 为城市增添了不一样的色彩。但由于这些建筑以不规则形态呈现出来, 对工程设计师提出了更大的挑战, 尤其是抗震方面, 在遵循规范准则的同时, 还要高效处理建筑结构抗震问题。1 不规则高层建筑结构概述以往, 高层建筑造型与火柴盒一样, 单调且乏味, 缺乏新意。但上个世纪八十年代, 随着城市化进程建设不断加快, 人们物质生活得到了极大的改善, 对精神文化需求不断增强, 为建筑设计带来了发展机遇。复杂、不规则及不对称结构高层
3、建筑涌现, 并成为建筑发展的潮流。如上海希尔顿酒店、深圳发展中心等, 正因为建筑造型独特引起了人们的关注1。与此同时, 美国高烈度地震区的西海岸也出现了很多形式复杂、不规则高层建筑物, 虽然, 我们看到的建筑物体型规则、简单, 但由于其抗侧力构件布置与一般建筑差别较大, 使其能够在结构上以不对称形态呈现出来。如尼加拉瓜马那瓜的中央银行, 在设计中, 其主要呈现简单的矩形状, 但在建筑东西方向设置电梯井, 在很大程度上增加了建筑物刚度。虽然不规则高层建筑看上去给人一种摇摇欲坠的视觉效果, 但由于其设计依据科学的力学计算, 是科学的。不规则高层建筑以扭转、凹凸不规则等多种形式存在, 相比较一般建筑
4、来说, 不规则高层建筑设计难度较大, 故要给予更多关注和重视。2 不规则高层建筑结构抗震分析2.1 工程概况本文选取的大厦主体结构为地下一层, 地上十层, 集办公室、试验及展示等功能于一体。建筑底层层高为 5.7 米, 2 层层高为 5.3 米, 斜屋面最高处为 50 米。建筑总面积为 3 万, 该建筑主体结构采用的是现浇框架剪力墙结构体系, 抗震等级为三级, 楼屋面采用的是现浇钢筋混凝土梁板结构。2.2 工程结构抗震设计(1) 设计参数。对于该工程的设计, 结构设计使用年限为 50 年, 建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为 6 度。(2) 结构设计特点。由于建筑工程具有不规则特点, 对于
5、其结构设计, 我们要充分把握结构特点。平面呈 U 型, 且狭长, 楼层最大弹性水平与层间位移, 应超过两端弹性位移的 1.21.5 倍。由于 2 层、3 层结构呈凹型, 根据我国现行设计规范来看, 这种设计属于平面凹凸不规则。从总体上看, 该建筑主体结构属于主体复杂, 平面、纵向不规则的高层建筑物。(3) 设计具体措施。根据抗震设计要求, 并立足于工程基本特点, 在抗震设计中, 可以从如下几个方面入手, 以此来提高建筑物整体抗震性能: (1) 在结构设计中, 设计师可以利用壳元理论作为构造墙元模型, 同时, 采用广义协调墙元模型, 对高层结构进行充分分析, 形成立体、直观的结构模型, 帮助设计
6、师进行观察, 高效处理结构细节; (2) 调整建筑质心、刚心位置, 在底部 13 层之间, 采用增加剪力墙、调整墙体厚度的方式, 使得建筑质心与刚心之间能够尽可能接近; (3) 在 U 型平面底部增加一定数量的剪力墙, 将扭转位移比控制在 1.5 之内; (4) 针对 3 层以上的南立面外倾, 要考虑到外倾柱对梁柱的荷载, 并进行计算, 使得外倾柱能够在结构内产生最大拉力, 保持在 398k N; (5) 工程内的多数框架结构以单跨形式存在, 能够在一定程度上提高工程抗震性能。与此同时, 由于框架柱倾覆弯矩超过 50%, 故框架的抗震等级可以设置为三级。2.3 关键结构设计分析(1) 上部结构
7、斜柱、斜框架设计。针对平面框架的计算, 由于存在斜柱, 使得沿着框架梁方向, 会产生一定的附加轴向应力。对于应力的控制应设计两根直柱。在设计中, 采用 PK、SATWE 软件对带斜柱框架进行计算, 得出的结果存在一定差别2。前者在计算中, 仅考虑到自身框架受力与形变, 计算内力较大, 故计算出来的结果用到设计中, 能够提高结构安全性, 使建筑结构保持稳定。在空间模型内, 由于存在平面刚度较大的楼板, 使得各框架之间会相互作用, 重新分布附加水平力。如果在中间榀设置剪力墙后, 那么其面内刚度会超过框架柱, 平面内刚度较大的楼板会将水平力传递出去。(2) 抗倾覆设计。本工程从 3 层开始呈现 U
8、型形态, 整体结构通过斜框架向外倾斜 9, 同时从 5 层开始的 U 型平面 45开始进行斜向收缩, 促使结构质心向上、向外移动, 在很大程度上增加了倾覆力。为了优化抗震设计, 可以采取如下措施。一是加强对上部结构的拉结与斜向框架抗震构造, 充分考虑各方面影响因素, 确保斜柱拉力能够保持在协调状态。二是确保上下层连接, 通过45斜屋面, 构建斜向框架结构, 使得主体结构之间能够保持上下层之间的连接, 从而优化建筑结构受力效果。三是对于上部结构来说, 其抗倾覆最大的平衡点就是地下室。结构设计过程中, 应加强对其整体倾覆力的计算, 了解整体倾覆力对结构产生的影响, 并对地下室顶板整体刚度及配筋进行
9、相应的调整和处理。2.4 斜柱根部节点有限元分析在建筑设计中, 由于 3 层斜柱与落地框架柱相互重叠, 4 层斜柱与原框架柱根部重叠为 203。基于此, 在设计中, 为了确保斜柱根部结构能够处于安全、稳定状态, 应结合底部受压特点, 利用 ANSYS 软件, 根据具体的节点进行建模分析, 调整并优化恒载、活载及风载等荷载, 为工程抗震设计提供科学依据。在进行有限元分析时, 框架柱重叠位置混凝土压力较大, 能够达到 13.3MPa, 部分区域能够达到 15.7MPa, 与规范要求相符。不仅如此, 在施工图设计中, 根据实际面积进行构造设计, 并适当加密箍筋, 能够显著提高建筑工程抗震性能, 从而
10、保证构件安全、可靠, 确保建筑工程投入使用后, 能够充分发挥建筑自身性能。抗震设计是一项系统性工程, 在设计中, 不仅要考虑到宏观因素, 还要兼顾到微观因素, 使得建筑结构设计科学, 符合设计规范。3 结论根据上文所述, 不规则高层建筑作为城市发展、建筑水平提升的具体表现, 其能够以独特的形态呈现出来, 符合当代人的审美需求。但值得注意是, 不规则高层建筑与一般建筑不同, 要加强抗震设计, 确保建筑工程在使用中能够保持稳定、安全, 且能够延长建筑工程使用寿命。因此在设计中, 设计师要充分考虑实际情况, 加强对细节的研究, 实现工程的抗震设计。针对平面的设计, 可以考虑布置剪力墙, 控制整体结构
11、扭转位移比能够在规范范围之内。同时, 针对竖向的抗震设计, 要加强对剪力墙位置与厚度的控制, 调整刚心位置, 尽可能与质心相接近。随着建筑技术不断发展, 我们还要加大研究力度, 不断提高不规则建筑抗震设计水平, 从而促使建筑工程综合效益得到充分发挥。参考文献1袁雪芬, 戴雅萍, 廉浩良, 等.某特别不规则高层建筑结构抗震设计J.建筑结构, 2014, 44 (10) :14-19. 2朱蔚惠.复杂不规则超高层建筑的结构设计与验证的实践上海某商贸广场塔楼一工程J.建筑与文化, 2013 (06) :71-73. 3曹军.高层建筑结构设计中平面不规则问题的分析与抗震措施J.中华建设, 2012 (12) :172-173.
