基于高层建筑结构设计中平面不规则问题的分析与处理
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作者: 韩 辉
摘要:本文详细介绍了建筑结构平面不规则的多种形式及特征:并结合具体实例。在对工程结构平面不规则分析的基础上,针对性提出了具体调整处理措施,并对结构薄弱环节的加强措施进行了分析阐述。
关键词:高层建筑;平面不规则;扭转破坏;结构设计
中图分类号:TU972.3
文献标识码:B
文章编号:1008-0422(2010)05-0161-02
1 引言
结构设计规范明确要求,建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应有良好的整体性,建筑的立面和竖向剖面宜规则,结构的侧向刚度宜均匀变化,不应采用严重不规则的结构方案,但随着我国经济实力和科学技术水平的提高,人们的思想观念不断更新,严格意义的规则建筑已经很难见到,取而代之的是大批新颖别致、标新立异、彰显个性的建筑物。各地大量涌现的现代建筑物几乎都是不规则或是严重不规则的,如希尔顿饭店、深圳发展中心、中央电视台等,都是不规则建筑的典型代表,它们的出现既给城市建筑带来了崭新的面貌,同时又给结构设计人员提出了严峻的挑战。如何遵循规范精神,对不规则建筑结构进行结构设计与计算分析,成为工程设计中必须解决的重要课题。
2 高层建筑结构平面不规则的主要形式特征分析
从现实的角度,综合高层建筑各种不规则的结构形式,主要表现在以下几个方面:
1)扭转不规则,考虑偶然偏心的情况下位移比大于1.2;
2)凸凹不规则。①平面狭长,在抗震设防烈度为6、7度时,平面长宽比大于6.0(8度抗震时大于5.0);②凹进尺寸太多,平面凹进一侧的尺寸大于相应投影方向总尺寸的0.35(8度时大干0.3);③凸出过细,凸出部分的长宽比大于2.0(8度时大于1.5);
3)楼板局部不连续,①楼板凯洞凹入后,有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%;②开洞面积大于该层楼面面积的30%:③采用细腰形平面;④有较大的楼层错层(楼板错层小于梁高不算错层);⑤角部重叠,重叠面积小于较小一侧的25%;
4)侧向刚度不规则,①楼层侧向刚度小于相邻上部楼层的70%或其上相邻三层平均值的80%:②结构顶部取消部分墙、柱形成空旷房间:
5)竖向尺寸突变,①高层结构上部楼层收进部位到室外地面高度大于房屋高度的20%,上部楼层收进的水平尺寸大于相邻下一层的25%:②高层结构上部楼层外挑,下部楼层的水平尺寸小于上部尺寸的90%,且水平外挑尺寸大于4m,
6)竖向抗侧力构件不连续,竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架等)向下传递:
7)楼层承载力突变,A级高层建筑的层间受剪承载力比小于0.8,B级高层小于0.75;
8)结构的周期比过大,A级高层建筑不应大于0.9,B级高层建筑和复杂高层建筑不应大于0.85:
9)复杂高层结构,带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构等。
3 工程项目实例概况
湖南某高层建筑是一集商业、酒店及办公楼为一体的综合性大楼,建筑层数地下2层,地上24层,其中底部裙房四层,结构体系为框架剪力墙结构,总建筑面积约45000m2,建筑高度94.3m,地下两层为车库层高为4.8和5.3m,首层为酒店大堂及商铺,层高8m,2至4层为酒店餐厅及辅助用房,层高4.8-6m,5至12层为洒店客房层高均为3.5m,12层以上为办公楼,层高均为3.5m。
本工程为丙类建筑,使用年限为50年,抗震设防烈度为6度,剪力墙及框架梁柱抗震等级为二级,基础设计等级为甲级,采用高强预应力管桩,工程结构整体计算采用中国建筑科学院开发的设计软件SATWE进行计算。
4 结构平面不规则情况分析及调整处理措施
该大楼特点是竖向功能变化较多,笔者针对不规则平面的结构特征及高层建筑的特征,从概念设计和计算设计两方面人手,综合分析各相关因素,提出适合于不规则平面特征的结构选型及结构布置方法。调整后结构裙房及标准层平面见图1。
4.1 建筑结构平面不规则情况分析
本工程平面体型为z字型,I/Bmax=0.56>0.35,属于平面不规则结构,竖向有立面缩进,同时层高相差较大。初步计算结果表明:结构在地震及风荷载作用下的位移角能满足规范要求,周期比为0.83<0.9,虽亦能满足规范要求,但第二周期的扭转因子已经相当大,达到0.34,证明该结构的抗扭刚度明显不足,同时该结构在考虑偶然偏心的情况下的扭转位移比X向及Y向均超过1.30,个别达到1.40,该结构扭转效应较严重,属于扭转不规则,裙房四层为薄弱层,层刚度小于上三层平均刚度的80%,首层为软弱层,抗剪承载力不足上层的80%,该结构不规则处达到5项,属于严重不规则结构,该楼上下各层功能太多,地下室为车库,业主希望有大空间,墙体布置受限制,2～4层为酒店餐厅多功能厅,需要开敞空间,墙体布置受限制,5～12层为酒店客房,业主不允许在建筑的外侧布置剪力墙,12层以上为办公楼,中间亦难布置墙体,诸多功能使得该楼中部及边上难以有一片墙体能上下贯通。
调整该楼的周期比和扭转位移比是结构设计的重点工作,由于该楼平面凸凹不规则,两个核心筒均处在两边,刚度极不均匀,质心与刚心偏差较大,在地震等外力作用下极易产生扭转破坏。周期比的控制与位移比的控制一样,周期比侧重控制的时侧向刚度与扭转刚度之间的相对关系,目的是抗侧力的平面布置更有效、更合理,使结构不至于出现过大的扭转效应。
总之,控制周期比的目的就是使结构抗侧力构件布置得更合理、更均匀,并不是使结构更刚,当平动第一周期与扭转第一周期比较接近时,由于振动耦连的影响,结构的扭转效应会明显增大,但该楼的第二周期扭转因子达到0.34,可认为扭转刚度偏弱,同样需要调整,不能仅仅认为平动第一周期/扭转第一周期小于0.9就可以了,应同时考虑平动周期中的扭转因子,不然在大震情况下,结构可能第一周期就是扭转周期。
4.2 平面不规则情况调整处理措施
考虑到这个薄弱环节,对结构的竖向构件做如下的调整:
1)在结构的左上方和右下方各加一片较长的剪力墙,增强建筑周边结构构件的抗扭承载力,同时也将结构的刚心大大的推向左边;
2)在右下角的核心筒开洞,削弱该处的刚度,因为该处核心简偏心较大,这也使刚度中心向左边移:
3)取消左上部核心筒下面的一个小核心筒,削弱中部的刚度,同时将该核心筒的连梁做弱,使结构的剪力墙更均匀,对结构扭转位移比及周期比均有较大的好处。
首层层高8m,造成受剪承载力小于上层的80%,要解决抗剪承载力不足,主要就要
加大抗剪截面。或提高混凝土强度,采取的措施就是在首层以下的各层将柱截面均加大100mm,墙加厚50mm,混凝土强度加大一级,采取措施后,‘受剪承载力比在90%以上,能满足规范要求,本楼第四层初算为薄弱层,四层顶即裙房屋面,为此将裙房屋面梁截面加大,加厚屋面板,有效的避免了薄弱层。通过以上调整,该楼由5项不规则调整为2项不规则,即平面凸凹不规则,立面缩进不规则,避免了申报超限。调整前后结构裙房及标准层平面见图1。
4.3 调整前后的周期参数
从表1的数据来看,因为取消一个小核心筒,刚度有所减弱,但结构调整的后刚度明显比调整前均匀,抗扭刚度也得到加强。同时扭转位移比也得到明显改善,
(由于篇幅问题未全部列出)最大扭转位移比均小于1.20,属于规则结构,从一个平面明显不规则的结构通过合理的调整刚度也可以使其成为结构上的规则结构。
4.4 弹性时程分析
对于平面不规则高层建筑,按高规规定,应采用弹性时程分析法进行多遇地襞下的补充计算,本工程采用2条天然波和一条人工波,弹性动力时程分析结构表明,在多遇地震作用下的层间位移、角位移、总剪力、总弯矩均满足设计要求,见图2,CQC法是安全的,设计达到了预期的效果。
4.5 采取的抗震措施
针对工程的实际,综合分析各方面因素,采取的抗震技术措施主要有:
1)在建筑允许的情况下尽量加长加厚周边剪力墙,尤其是离刚心最远处,将刚心和质心偏心率调整到最小,减小扭转周期,将结构调整成扭转规则结构。
2)削弱核心筒连梁,采用弱连梁连接,使平动周期增大,增大平扭周期比。
3)控制墙柱轴压比,提高柱的纵筋配筋率和箍筋配筋率(特别是角部),纵筋配筋率均加大一级,柱箍筋全楼加密,角柱加芯柱,来提高结构竖向构件在大震中抵抗的变形能力。
4)在凹角处增设45°斜向钢筋,抵抗角区应力集中,加强薄弱处的板厚和配筋。
5)四层虽然可以不算规范上的薄弱层,但计算仍按薄弱层计算,其地震剪力应乘以1.15的增大系数,同时加强该层墙柱配筋,提高结构在大震中的抵抗变形的能力。
6)加强裙房上层,即五层的墙柱配筋,有效抵抗立面缩进后产生的鞭梢效应。
通过采取以上措施,使该平面不规则建筑在满足各项功能的前提下,结构更安全科学和合理。
5 结语
综上所述,对于现代城市日益涌现的造型新颖别具一格的不规则建筑,结构设计人员应细心分析各种情况,从概念设计人手。找出结构的重点和薄弱点,因势利导克服不利因素,使整个结构在平面和竖向合理地布置结构刚度,避免和减少结构可能出现的薄弱部位,同时加强薄弱部位的构造措施,使建筑物从一个貌似不规则的建筑调整成一个结构上的规则建筑,只要结构工程师认真分析,抓住重点,强化构造,不规则结构的设计问题是可以解决的。
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