風車形平面高層建筑結構的抗震設計

梁勇軍 華匯工程設計集團股份有限公司杭州分公司

高層建筑數(shù)量顯著增加，風車型平面高層建筑應用范圍日趨擴大。風車形平面高層建筑結構設計難度較大，需結合建筑特點，依據(jù)抗震設計規(guī)范要求高質量完成抗震設計，以提升建筑穩(wěn)定性，確保建筑內部人員生命財產安全。

1 風車形平面高層建筑結構抗震設計的不利因素分析

風車形平面高層建筑如圖1 所示，與傳統(tǒng)高層建筑相比，風車形平面高層建筑在采光、通風和景觀朝向等方面具有較為突出的優(yōu)勢。但其平面形狀不規(guī)則，抗震設計中存在諸多不利因素，主要表現(xiàn)為以下幾方面。第一，建筑核心筒需偏心設置，導致剛度與質量分布不均衡，設計人員在計算過程中需充分考慮雙向水平地震作用所致扭轉耦聯(lián)的影響，且在設計過程中需強化處理應力應變集中區(qū)域。第二，建筑斜交抗側力構件數(shù)量較多，且布置位置不對稱，無法確定結構主軸方向[1]。第三，建筑樓板連續(xù)性不佳，平面內剛度與樓板尺寸變化幅度較大，設計人員在計算過程中需采用特定的分析軟件準確分析評估樓板平面內變形區(qū)域的空間結構，以確?？拐鹪O計質量達標。第四，建筑剪力墻分布不規(guī)則，當產生結構轉換層時，可形成多次梁轉換，從而影響抗震設計效果[2]。

圖1 風車形平面高層建筑

2 風車形平面高層建筑結構抗震設計要點

2.1 合理選擇建筑場地

建筑場地的地形地貌與地質條件可對抗震性能產生較大影響，需在設計過程中分析研究工程地震和地質資料，并結合工程實際需求選擇適宜的建筑場地。風車形平面高層建筑抗震設計需嚴格遵守《建筑抗震設計規(guī)范》中的相關要求，科學精確地設計平面與立面外形尺寸、抗側力構件布置、質量分布。同時，與傳統(tǒng)高層建筑相比，風車形平面高層建筑立面不規(guī)則，體型相對復雜。設計期間需采用強化內力調整及結構綜合設計，并在薄弱部位增加抗震構造，結合建筑實際特點選擇適宜部位設置防震縫，從而構建多個形態(tài)相對規(guī)則的抗側力結構單元[3]。另外，防震縫設計過程中需依據(jù)結構單元高度差、結構類型和結構材料種類等指標確定其寬度，確保防震縫雙側上部結構間完全分開，避免鄰近單元逐漸發(fā)生碰撞。

2.2 結構體系設計分析

風車形平面高層建筑設計中，設計人員需分析場地條件、地基、建筑高度、抗震設防烈度、抗震設防類別和施工技術及機構材料等因素確定結構體系，結構體系需配備計算簡圖，也需具備適宜的地震作用力傳遞路徑。同時，結構體系還需有效抵御部分構件或結構破壞引發(fā)的結構抗震能力喪失及承載力異常，具備較強的抗形變能力及減弱地震能量的能力[4]。

2.3 設計多級抗震防線

多級抗震防線的主要特點是一個抗震結構體系中包含多個分體系，且各個分體系均具有良好的延性，不同分體系間采用延性良好的結構構件連接，從而達到協(xié)同抗震效果?？蚣堋拐饓w系為常見的多級抗震體系，其分體系包括抗震墻、延性框架。多級抗震防線需具備外部與內部的贅余度，并需設計分布廣泛的屈服區(qū)，使結構能夠最大程度上耗散及吸收地震能量。

風車形平面高層建筑抗震設計中需設置多道抗震防線，并適當增加冗余設計。例如，風車形平面高層建筑抗震設計中可將雙重抗側力體系，包括框架—支撐、框架—抗震、內墻筒—外框筒等設置于相同軸線框架與抗震墻區(qū)間，也可設置于外框架與芯筒之間，并在每層樓蓋位置設置抗彎梁。抗彎梁兩端需剛接，且需具備良好的延性，當發(fā)生地震時，抗彎梁承擔前期地震脈沖沖擊，從而保護主體結構[5]。

2.4 抗震的計算與驗算

風車形平面高層建筑結構抗震設計中需優(yōu)先計算建筑結構的整體地震作用效應，依據(jù)計算結果求出各個構件的地震作用效應，然后將其他荷載效應與地震作用效應進行組合，驗算構件與結構抗震承載力。通過上述計算與驗算需達到小地震無損壞、中地震可維修、大地震不倒塌的設計效果。

抗震計算主要內容包括豎向地震作用計算與水平地震作用計算，地震作用屬于動態(tài)變化的間接作用過程，地震強弱、震源距離、場地特征、建筑物剛度與質量分布和建筑結構的規(guī)則性等均可影響地震作用的大小，為此需綜合分析上述因素，準確計算。通常情況下，風車形平面高層建筑結構設計中水平地震作用是計算的重點，針對高烈度區(qū)域需計算豎向地震作用對長懸臂、高聳結構和大跨的影響[6]?？拐痱炈氵^程中，需重點完成截面抗震驗算。具體驗算過程中，設計人員可轉換變形驗算為眾值烈度地震作用下的構件承載力驗算，也可在結構構件截面抗震驗算中引入非抗震承載力設計值，計算該數(shù)值與抗震調整系數(shù)的比值。

同時，抗震驗算中需完成多遇地震作用下彈性變性的驗算及罕見地震作用下薄弱部位彈塑性變性驗算。前者需滿足第一水準設防要求，后者需滿足第三水準設防要求[7]。

3 風車形平面高層建筑結構抗震設計的調整措施分析

風車形平面高層建筑結構抗震設計調整的主要內容包括抗震構造、地震內力計算等。其中抗震構造主要指無需計算，依據(jù)工程實踐獲取的非結構與結構部分需實施的細部要求，如軸壓比、構件最小尺寸、邊緣構件和配筋率等。

3.1 調整水平地震剪力

設計人員應用振型分解反應譜法計算并調整水平地震剪力的過程中，長周期內地震影響系數(shù)下降速度較快。當結構基本周期大于3.5 s 時，地震影響系數(shù)數(shù)值過低，無法滿足要求。長周期內，地震動態(tài)作用下地面產生的位移可破壞結構，因此振型反應譜僅能夠反映出加速度對整體結構的影響。

為確保風車形平面高層建筑結構安全性符合相關標準要求，相關規(guī)定中提出各層水平地震剪力的最低要求。若無法滿足相關要求，則需調整結構布置方案或各層豎屏地震剪力、結構總剪力，使其最大程度上滿足相關要求[8]。

3.2 調整地震豎向剪力

風車形平面高層建筑結構樓層構件地震豎向剪力調整過程中，設計人員可參考各個構件承受重力荷載的代表值，按照代表值比例分配地震豎向剪力，并乘以增大系數(shù)（通常為1.5），進而達到地震豎向剪力整體調整效果。

3.3 局部調整

地震內力局部調整涉及內容較多，重點為平面不規(guī)則與豎向不規(guī)則的調整。平面不規(guī)則主要包括凹凸不規(guī)則、扭轉不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)等，豎向不規(guī)則主要包括樓層承載力突變、豎向抗側力構件不連續(xù)、側向剛度不規(guī)則等。針對平面規(guī)則且豎向不規(guī)則的風車形平面高層建筑結構，設計人員需采用空間結構計算模型，剛度偏小的樓層計算中需乘以增大系數(shù)1.25。風車形平面高層建筑結構薄弱層抗震設計過程中需分析彈塑性變性，根據(jù)分析結果對整層地震剪力進行調整[9]。

3.4 框架—剪力墻中框架

框架—剪力墻受水平地震作用影響，框架部分剪力計算結果普遍偏小，為滿足多級抗震防線設計要求，需將墻體作為第一道防線，發(fā)生地震后墻體先于框架受損。受塑性內力二次分布等因素影響，框架依據(jù)側向剛度分配的剪力較大，為確保作為第二道防線的框架具有較強的抗側力，需調整框架承擔的剪力。

3.5 水平轉換構件調整

水平轉換構件主要包括桁架、轉換梁、斜撐、箱型結構、空腹桁架等，設計人員需結合風車形平面高層建筑結構特點確定水平轉換構件調整方案。若風車形平面高層建筑結構平面規(guī)則且豎向抗側力構件不連續(xù)，則設計人員需根據(jù)水平轉換構件類型、尺寸、受力狀況及烈度高低計算豎向抗側力傳遞給水平轉換構件的地震內應力，并乘以增大系數(shù)1.25 ～2.0，計算特一級、一級、二級轉換結構構件水平地震內應力時乘以增大系數(shù)1.9、1.6、1.3。

3.6 框支柱

部分風車形平面高層建筑采用框支柱剪力墻，但在轉換層以下，框支柱剪力墻剛度小于落地剪力墻，因此框支柱剪力墻承受地震剪力小于落地剪力墻。實際工程中，風車形平面高層建筑結構轉換層樓面內發(fā)生變形可導致框支柱剪力墻承受地震剪力顯著增加。落地剪力墻產生裂縫后剛度降低，也可導致框支柱剪力墻承受地震剪力顯著增加。為確保風車形平面高層建筑的抗震設計效果，設計人員需結合轉換層位置、框支柱整體數(shù)量對框支柱剪力進行調整。另外，設計人員需依據(jù)抗震等級開展構件調整，調整的基本原則為弱構件、強節(jié)點、弱彎強剪和弱梁強柱[10]。

4 風車形平面高層建筑結構抗震設計實例分析

4.1 案例一

某風車形平面高層建筑結構的4 個外伸肢間夾角為90°，形成風車造型。該建筑的抗震設防烈度設定為7 度，風壓為0.50 kN/m2，建筑結構為框架剪力墻結構，樓層側向剛度由下至上逐漸減小。設計人員利用相關軟件進行結構分析評估，結果顯示周期折減系數(shù)為0.9，采用MIDAS/Gen 法進行結構分析，地震作用計算信息為X/Y 單項地震。該建筑Y 方向地震總剪力/剪重為14 363 kN/2.70%，該建筑X 方向地震總剪力/剪重大約為14 151 kN/2.66%，Y 方向地震的最大扭轉位移比為Y ∶1.09，X 方向地震最大扭轉位移比為X ∶1.22。

通過數(shù)據(jù)分析可知，框架抗側能力嚴重不足，早期極易形成底層柱底塑性鉸，為此在抗震設計期間需強化框架柱延性與承載力，并減少結構彈塑性層間位移角度，以改善抗震性能。設計人員利用振型分解反應譜法調整建筑結構總體布置，縮短構架柱距與梁距，配合采用輕質材料制作的隔墻與填充墻，確保墻肢屈服晚于連梁屈服，以滿足相關規(guī)范中位移比要求，實現(xiàn)對建筑結構動力特性的有效調整，以減輕地震能量對風車形平面高層建筑的破壞程度。

4.2 案例二

某風車形平面高層建筑結構設計中，設計人員引入SATWE 結構完成彈性靜力分析，在系統(tǒng)中輸入地震力，計算結果顯示剪重比為2.66%～2.70%，超出規(guī)定要求的地震最小剪重比值。位移與位移比計算結果顯示，X 方向地震下層間位移最大角度發(fā)生位置21 層，頂點位移數(shù)據(jù)為51 mm；Y 方向地震下層間位移最大角度發(fā)生位置在24 層，頂點位移數(shù)據(jù)為49 mm，位移比大于規(guī)定要求的1.2，需采取有效措施提升結構整體的抗扭剛度。地震下傾覆力矩計算結果顯示，X 方向地震下傾覆力矩1 080 747 kN/m，Y 方向地震下傾覆力矩1 063 097 kN/m，滿足風車形平面高層建筑結構抗震設計要求。

通過對上述數(shù)據(jù)的綜合分析，設計人員采用鋼管混凝土柱與鋼骨，以確保短柱能夠耗散及吸收地震能量，并有效控制柱的軸壓比值，從而長時間維持有效屈服，使節(jié)點破壞時間晚于構件破壞時間，顯著提升結構延性及承載力，避免梁屈服時間早于柱屈服時間，提升結構整體抗震能力。同時，設計人員引入框架剪力墻板體系，主體結構采用鋼框架，每段剪力墻高度與寬度之比均大于2，支撐框架樓蓋長度與寬度之比小于3，全柱段加密處理箍筋，配合采用滑移隔震、軟墊隔震等措施，增設具有約束邊緣作用的構件，以減少下部區(qū)域層間位移量，減輕地震反應，確保發(fā)生地震后建筑物裂且不倒。

5 結語

風車形平面高層建筑在采光、通風等方面具有顯著優(yōu)勢，應用范圍呈顯著擴大趨勢。其抗震設計關系到建筑使用壽命及內部人員的生命財產安全，設計人員需詳細了解抗震設計規(guī)范要求，結合建筑實際情況科學規(guī)范地完成抗震計算，靈活設計適宜的抗震方案，通過不同抗震措施的合理運用提高建筑的抗震能力，弱化地震影響，以提高建筑安全性。