不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析

李剛

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030024）

伴隨城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，我國建筑工程技術(shù)得到持續(xù)發(fā)展，而當(dāng)前社會生活狀態(tài)下人們對于建筑工程的要求越來越高，對于建筑功能的需求越來越多，在這種情況下，建筑形式不斷增多。為進(jìn)一步提高土地利用率，高層建筑成為當(dāng)前建筑工程的主要組成部分，而在各類高層建筑中不規(guī)則高層建筑是其中比較特殊的一種類型。不規(guī)則高層建筑是當(dāng)前建筑工程的重要發(fā)展方向，其整體特性凸顯了建筑的形式特征，而且也能通過異形結(jié)構(gòu)來滿足一些常規(guī)建筑工程無法達(dá)到的功能。但是不規(guī)則高層建筑在抗震性能方面還存在諸多問題，高層建筑如果抗震性能不達(dá)標(biāo)，一旦受地震影響極容易出現(xiàn)建筑損毀的嚴(yán)重問題，為進(jìn)一步提升建筑工程整體建設(shè)質(zhì)量，本文將以某不規(guī)則高層建筑工程為例，對該類建筑工程的地震作用力解算以及在抗震性能方面存在的問題進(jìn)行分析。

1 高層不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)地震中狀態(tài)解算

1.1 利用時程分析進(jìn)行解算

具有一定結(jié)構(gòu)特征的物體在進(jìn)行受力運(yùn)動狀態(tài)分析的過程中需要對其運(yùn)動微分方程進(jìn)行分別求解，這樣才能夠得到比較完整的結(jié)構(gòu)物體在力作用下的運(yùn)動狀態(tài)情況。這種分析方式稱之為時程分析。想要了解高層不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，自然要明確其震中運(yùn)動狀態(tài)，因此可以采取時程分析的方式進(jìn)行解算。采取這一方式進(jìn)行解算的過程中需要搜集該地區(qū)的具體地震參數(shù)，了解常見地震波情況后將地震參數(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)直接輸入系統(tǒng)，通過系統(tǒng)的運(yùn)動微積分計算來了解不規(guī)則高層建筑在該類地震中的運(yùn)動情況并借此明確抗震性能。由于時程分析屬于完全動力分析，因此能夠詳盡了解該建筑中各主要應(yīng)力點(diǎn)在地震中的運(yùn)動情況，據(jù)此計算應(yīng)力參數(shù)并明確振動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響[1]。時程分析既能夠給出相應(yīng)的線性時間結(jié)構(gòu)運(yùn)動情況，同時也能直接分析地震中的加速度時程曲線，通過這些參數(shù)能夠直接得出各部位結(jié)構(gòu)截面的抗震承載力以及受地震應(yīng)力影響后的形變情況。

1.2 利用底部剪力法進(jìn)行解算

等效單質(zhì)點(diǎn)在水平地震力影響下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)影響與正常的建筑工程在地震中所受剪力影響是一致的，因此在研究建筑結(jié)構(gòu)在地震中所受作用力時可以采取這樣的替換研究方式來明確具體的抗震性能[2]。底部剪力法解算抗震性能時基于結(jié)構(gòu)體系的自振特征以及地震加速度的最大反映函數(shù)，如圖1所示高點(diǎn)地震加速度較高，而低點(diǎn)地震加速度較低。在實(shí)際應(yīng)用過程中底部剪力法雖然能夠在一定程度上反映地震中相關(guān)結(jié)構(gòu)的載荷動作情況，但是對于動力響應(yīng)方面的內(nèi)容不能很好地進(jìn)行表達(dá)，所以這種解算方式存在一定的局限性。該解算方法的優(yōu)勢在于計算過程中的計算量相對比較小，各項(xiàng)計算中所需的參數(shù)容易明確，在使用過程中需要結(jié)合實(shí)際情況來分析是否適用[3]。

圖1 底部剪力法計算

1.3 利用反應(yīng)譜法進(jìn)行解算

反應(yīng)譜法也叫振型分解反應(yīng)譜法，該解算方式的核心就是單自由度體系的加速度數(shù)據(jù)。一般來講利用反應(yīng)譜法對建筑結(jié)構(gòu)在地震中的抗震性能進(jìn)行計算能夠得出比較精確的參數(shù)，但是在多自由度體系之下想要獲取相應(yīng)的抗震參數(shù)需要進(jìn)行海量計算，而且需要錄入的參數(shù)種類和總量都比較大。利用這種計算方式能夠很好地消除建筑薄弱層，因?yàn)樵撚嬎隳軌蚝芎玫孛鞔_建筑結(jié)構(gòu)不同位置的剪切剛度以及位移量，從這些具體的數(shù)值之中就能夠有效分析出哪一部分屬于薄弱區(qū)域并可以針對具體參數(shù)來了解薄弱層載荷能力差的原因，這樣就可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面調(diào)整消除薄弱層[4]，如圖2所示。

圖2 不規(guī)則高層建筑在現(xiàn)代建筑工程中非常常見

2 針對高層不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)抗震問題的分析

本文以某商廈為例，該商廈為混合功能建筑，包括地上25層以及地下2層，其中1～8層為商業(yè)用途，10～19層為辦公層，20～25層用作居住用途，-1～-2為地下停車場。其中商層去平均舉架高度為5.8m，辦公層和居住層舉架高度均為3.9m，地下停車場層高為3.0m。該建筑整體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計勘驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)本建筑對標(biāo)高層建筑抗震相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時存在超限問題，現(xiàn)對相關(guān)問題進(jìn)行分析解決。

2.1 扭轉(zhuǎn)受力不規(guī)則

剛度分布不均勻是導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)受力不規(guī)則的核心原因，針對本建筑進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)時可發(fā)現(xiàn)辦公層和居住層均有部分樓層存在彈性水平位移量比值超限的情況，尤其是12、14、23、24這4層，其最大位移量和兩端位移量比值超限（大于1.2），這導(dǎo)致這幾層在地震受力過程中應(yīng)力變化量與其他樓層不符，這會導(dǎo)致建筑整體在地震中存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的嚴(yán)重問題，該問題會進(jìn)一步導(dǎo)致其他應(yīng)力載荷平面出現(xiàn)超出最大承載值的問題，因而抗震性能無法滿足要求。要解決該問題就必須從結(jié)構(gòu)剛度分布入手，分析上述幾層的構(gòu)件、邊梁、邊墻，解算這些主要承力部分的扭轉(zhuǎn)剛度，針對薄弱部分進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)整，同時根據(jù)整體效果進(jìn)行相應(yīng)的解算調(diào)整扭轉(zhuǎn)受力不規(guī)則的不利情況[5]。

2.2 高寬比大

相關(guān)規(guī)定對于高層建筑的高寬比有明確要求，超限的情況下其抗震性能無法滿足要求，在這種情況下，對本設(shè)計中的左塔與右塔高寬比進(jìn)行計算，得出高寬比分別為7.59以及6.92，而國家規(guī)定高層建筑其整體高寬比不得大于6，很明顯本工程左右塔均已超限。在進(jìn)行調(diào)整的過程中，采用時程分析的方式考慮地震水平力以及其他軸向力來對其進(jìn)行計算，通過所得數(shù)據(jù)來分析當(dāng)前設(shè)計下能夠承受的最大地震等級。針對不符合國標(biāo)的問題，采取push over分析體系來計算地震位移量，通過明確地震位移量來調(diào)整墻柱結(jié)構(gòu)，最大限度增強(qiáng)其延展性，在關(guān)鍵承力部位墻柱中增加加強(qiáng)筋，同時對承受較大剪力的構(gòu)件進(jìn)行進(jìn)一步強(qiáng)化抗震性能。

2.3 平面不規(guī)則

從結(jié)構(gòu)上來看，由于多通道樓梯的原因?qū)е聵前鍢翘蓍_孔數(shù)量較多，本建筑地上1～8層采取每層3梯的方式進(jìn)行設(shè)計，因此開孔較多，在結(jié)構(gòu)剛性方面受到較大的影響。對于樓板而言，其剛性直接影響建筑整體抗震性能，樓板剛性高不僅能夠有效提升應(yīng)對地震水平作用力的能力，而且對于其他軸向作用力也有更好的抵御能力。而在開孔較多的情況下，其結(jié)構(gòu)整體性受到較大影響，尤其是孔洞周圍結(jié)構(gòu)剛性下降比較嚴(yán)重。面對這種情況，在調(diào)整過程中主要采取剪力墻圍合的方式來進(jìn)行剛性彌補(bǔ)，在調(diào)整過程中不僅在結(jié)構(gòu)方面保障樓梯孔采取剪力墻圍合的方式來提升剛性，而且還要注意在樓板上做出調(diào)整，直接采用雙層雙向筋的方式來提高孔洞以外其他部分的結(jié)構(gòu)剛性。

2.4 薄弱點(diǎn)明顯

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該建筑19層為明顯薄弱點(diǎn)，該層從收進(jìn)幅度來看其參數(shù)量比較大，已經(jīng)形成了一定的不利位移，因此在調(diào)整過程中直接進(jìn)行上下層剛度調(diào)節(jié)，保障18層以及20層的整體剛性，同時針對樓板進(jìn)行調(diào)整，使用雙層雙向筋進(jìn)行強(qiáng)化。檢查19層整層的剪力墻結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對樓梯開孔處進(jìn)行參數(shù)測試，通過強(qiáng)化剪力墻來有效提升整體結(jié)構(gòu)剛性，消除抗震薄弱點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文針對不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震情況進(jìn)行詳細(xì)分析，首先對此類建筑結(jié)構(gòu)在地震中的受力狀況解算方式進(jìn)行分析，明確具體的計算方式，而后對實(shí)際案例中的建筑抗震情況進(jìn)行研究，所得參數(shù)發(fā)現(xiàn)該工程存在較多的超限情況，文中同步給出了相應(yīng)的調(diào)整策略。希望本文所述相關(guān)內(nèi)容能夠進(jìn)一步推動高層不規(guī)則建筑的抗震設(shè)計研究。