不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究

施展

摘 要：現(xiàn)如今，城市化建設(shè)進(jìn)程不斷深化，高層建筑如雨后春筍般出現(xiàn)在城市各個(gè)角落，在緩解城市用地壓力等方面發(fā)揮著積極作用，也成為城市發(fā)展水平的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。在眾多高層建筑中，不乏涉及到鳥(niǎo)巢、水立方、長(zhǎng)城飯店等標(biāo)新立異的建筑，為城市增添了不一樣的色彩。但由于這些建筑以不規(guī)則形態(tài)呈現(xiàn)出來(lái)，對(duì)工程設(shè)計(jì)師提出了更大的挑戰(zhàn)，尤其是抗震方面，在遵循規(guī)范準(zhǔn)則的同時(shí)，還要高效處理建筑結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題?；诖?，本文對(duì)不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：不規(guī)則；高層建筑結(jié)構(gòu)；抗震

1 前言

抗震工作是建筑設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)，為使所設(shè)計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、延性及耗能能力等方面達(dá)到最佳，結(jié)構(gòu)工程師要進(jìn)行嚴(yán)格系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。不規(guī)則高層建筑的不規(guī)則性，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的難度和要求，論文就此展開(kāi)論述。

2 不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)概述

以往，高層建筑造型與火柴盒一樣，單調(diào)且乏味，缺乏新意。但上個(gè)世紀(jì)八十年代，隨著城市化進(jìn)程建設(shè)不斷加快，人們物質(zhì)生活得到了極大的改善，對(duì)精神文化需求不斷增強(qiáng)，為建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。復(fù)雜、不規(guī)則及不對(duì)稱結(jié)構(gòu)高層建筑涌現(xiàn)，并成為建筑發(fā)展的潮流。如上海希爾頓酒店、深圳發(fā)展中心等，正因?yàn)榻ㄖ煨酮?dú)特引起了人們的關(guān)注。與此同時(shí)，美國(guó)高烈度地震區(qū)的西海岸也出現(xiàn)了很多形式復(fù)雜、不規(guī)則高層建筑物，雖然，我們看到的建筑物體型規(guī)則、簡(jiǎn)單，但由于其抗側(cè)力構(gòu)件布置與一般建筑差別較大，使其能夠在結(jié)構(gòu)上以不對(duì)稱形態(tài)呈現(xiàn)出來(lái)。如尼加拉瓜馬那瓜的中央銀行，在設(shè)計(jì)中，其主要呈現(xiàn)簡(jiǎn)單的矩形狀，但在建筑東西方向設(shè)置電梯井，在很大程度上增加了建筑物剛度。雖然不規(guī)則高層建筑看上去給人一種搖搖欲墜的視覺(jué)效果，但由于其設(shè)計(jì)依據(jù)科學(xué)的力學(xué)計(jì)算，是科學(xué)的。不規(guī)則高層建筑以扭轉(zhuǎn)、凹凸不規(guī)則等多種形式存在，相比較一般建筑來(lái)說(shuō)，不規(guī)則高層建筑設(shè)計(jì)難度較大，故要給予更多關(guān)注和重視。

3 不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析

3.1 案例分析

某高層建筑地上25層，地下3層，總體高度104.2米。15層以下東西長(zhǎng)度94米，16層以上為83米。南北向?qū)挾葹?0米，總建筑面積5.3萬(wàn)平方米。地下三層分別為餐飲、商業(yè)、車庫(kù)區(qū)。

建筑師從環(huán)境和功能的要素的角度，將北側(cè)設(shè)計(jì)為電梯、機(jī)房、管井的集中區(qū)域，南側(cè)為敞開(kāi)式的商住和辦公區(qū)域，采用玻璃幕墻作為立面的材料。整體立面為起航的船體，屋頂從東向主屋面逐漸升起，高點(diǎn)高度為22.5米，上有桅桿，桅桿高度為15米。

3.2 設(shè)計(jì)詳情

建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)把握，從15層開(kāi)始向上，西北側(cè)有收進(jìn)，豎向的變化較大，南側(cè)沒(méi)有設(shè)計(jì)剪力墻予以支撐，南北向的偏心較大。頂層自西向東有變化，東面較高和重。

平面上的特點(diǎn)是，建筑物的兩個(gè)端部有剛度較小的單跨框架，東南的尖角為單柱，在地震作用下，端面的平面質(zhì)量將起到很大的作用，由于不規(guī)則，因此，需要在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)上，設(shè)計(jì)出較大的抗側(cè)剛度。

經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)特性的分析之后，采用試算的方法，發(fā)現(xiàn)建筑物的特點(diǎn)是西低東高、西輕東重。東端和西端出現(xiàn)的單跨框架以及部分的面積，側(cè)剛較小，產(chǎn)生東段振幅較大的情況，為了使得結(jié)構(gòu)能夠形成以平動(dòng)為主的基本振型，因此在東面設(shè)置了剪力墻。

針對(duì)南北向的偏心問(wèn)題，為了滿足建筑連續(xù)多跨的框架剛度較大的特點(diǎn)要求按照剪力墻承擔(dān)的總彎矩進(jìn)行了剪力墻量的設(shè)置，減少了縱向地震作用下可能產(chǎn)生的扭矩，這樣，建筑物的靠近端部的剪力墻轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂將增大，能夠在地震扭轉(zhuǎn)中南北偏心產(chǎn)生的時(shí)候起到重要的作用。

4 工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

對(duì)于位移限值的分析，在考慮了偶然偏心影響的地震作用，樓層的最大位移與層高的比例是滿足建筑設(shè)計(jì)要求。RATIO為層平均位移和最大位移之間的比值，RTIO-D（n）為層平均層間和最大層間的位移比值，MAX-D/h為最大層間位移角，Umax為頂層最大位移（mm）。

計(jì)算模型分別按照0、90度和45度方向計(jì)算結(jié)構(gòu)在水平力作用下的變形和內(nèi)力的組合特征，考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，得到了剪力墻連梁的折減系數(shù)、周期折減系數(shù)、阻尼比等數(shù)值。

經(jīng)過(guò)軟件的計(jì)算結(jié)果，還發(fā)現(xiàn)個(gè)別連梁的彎矩和剪力出現(xiàn)截面超筋的情況，再進(jìn)行連梁設(shè)計(jì)以及配筋的時(shí)候，通過(guò)設(shè)置鋼暗柱的方式，給予了加強(qiáng)措施。在本工程中，兩個(gè)單元的建筑均為混凝土核芯筒體的垂直交通通道，如電梯、樓梯，構(gòu)成的核心抗側(cè)力的構(gòu)件主要分布在兩側(cè)，這種設(shè)計(jì)提高了抗側(cè)的高度。對(duì)于周邊的翼板出現(xiàn)的出挑略多的問(wèn)題，采用了彈性板加以解決，充分考慮變形對(duì)于邊角柱以及豎向構(gòu)件的影響，提高了一個(gè)等級(jí)的抗震功能，加強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)的配筋，采用全高加密箍筋的方法，保證地震發(fā)生的時(shí)候構(gòu)件不屈服，結(jié)構(gòu)延性加強(qiáng)。

本建筑工程有著平面立面不規(guī)則的先天狀況，因此，要對(duì)計(jì)算過(guò)程中的近似性、局限性、地震的不確定性進(jìn)行充分的考慮，將施工因素等問(wèn)題加入設(shè)計(jì)的內(nèi)容。不能完全依靠計(jì)算結(jié)構(gòu)，而是要對(duì)結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)造，薄弱環(huán)節(jié)加以分析，從結(jié)構(gòu)安全的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

例如工程在地震作用下，最不利的趨于在兩個(gè)端部，這部分為單跨柱框架，因此應(yīng)進(jìn)行承載能力和延性的加強(qiáng)，防止出現(xiàn)破壞。

工程的框架承擔(dān)地震的總彎矩經(jīng)過(guò)測(cè)量接近50%，因此要在南側(cè)縱向框架的強(qiáng)度和延性設(shè)計(jì)上采用提高抗震等級(jí)的方法進(jìn)行構(gòu)造的設(shè)計(jì)。

工程的西側(cè)剪力墻的數(shù)量較少，因此，在該區(qū)域的抗扭的設(shè)計(jì)上應(yīng)予以加強(qiáng)。

還有中心部位的樓電梯間，混凝土的剪力墻布置上，框架較小的框架帶來(lái)了單體抗扭轉(zhuǎn)剛度不足的問(wèn)題，可以通過(guò)增加結(jié)構(gòu)的側(cè)力抗扭剛度的方法進(jìn)行增大，依靠外圍抗側(cè)力墻剛度增加的方法，將抗扭轉(zhuǎn)剛度增大。

5 結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意以下問(wèn)題：（1）重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的均勻性與對(duì)稱性，并對(duì)結(jié)構(gòu)的偏心率進(jìn)行有效的控制。如果能夠保證偏心率足夠小，結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)清晰的平動(dòng)主振型和扭轉(zhuǎn)主振型，更容易符合扭平分量比的標(biāo)準(zhǔn)；（2）重視累積質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。如果結(jié)構(gòu)的某一部分存在高低跨現(xiàn)象，需要科學(xué)合理的設(shè)置剪力墻，有效的降低偏心距；（3）如果樓板因存在大面積缺失的現(xiàn)象而形成長(zhǎng)短柱的狀態(tài)，不但要提高短柱的延性，而且需要提高長(zhǎng)柱的剛度；（4）提高結(jié)構(gòu)周邊梁的剛度。通過(guò)提高周邊連梁與框架梁的剛度，可以提高整體結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，并且有利于剛心位置的調(diào)整。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上文所述，不規(guī)則高層建筑作為城市發(fā)展、建筑水平提升的具體表現(xiàn)，其能夠以獨(dú)特的形態(tài)呈現(xiàn)出來(lái)，符合當(dāng)代人的審美需求。但值得注意是，不規(guī)則高層建筑與一般建筑不同，要加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)，確保建筑工程在使用中能夠保持穩(wěn)定、安全，且能夠延長(zhǎng)建筑工程使用壽命。因此在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師要充分考慮實(shí)際情況，加強(qiáng)對(duì)細(xì)節(jié)的研究，實(shí)現(xiàn)工程的抗震設(shè)計(jì)。針對(duì)平面的設(shè)計(jì)，可以考慮布置剪力墻，控制整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比能夠在規(guī)范范圍之內(nèi)。隨著建筑技術(shù)不斷發(fā)展，我們還要加大研究力度，不斷提高不規(guī)則建筑抗震設(shè)計(jì)水平，從而促使建筑工程綜合效益得到充分發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉華星.某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[D].大連理工大學(xué)，2016.

[2] 高猛.某平面不規(guī)則高層結(jié)構(gòu)抗震性能分析[D].安徽建筑大學(xué)，2016.

[3] 韓炯.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化措施解析[J].建材與裝飾，2015（49）：80～81.