不规则建筑结构优化分析

不规则建筑结构优化分析

张健

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摘要：随着建筑业的发展，立面及平面不规则的建筑越来越多，某些高层建筑因结构布置不合理导致结构超限，从而需要进行超限相关设计计算及补充性能化设计分析，不仅增加了设计周期，还增加混凝土和钢筋用量，从而增加造价。在不影响建筑功能及立面效果的前提下，针对结构自身特点进行优化，使结构体系满足国家及地方抗震规范的要求，保证结构具有良好的抗震性能，做到结构合理、经济性最佳。

关键词：不规则建筑；结构优化；分析

引言

为响应国家环保政策和地方城市发展及规划的要求，我国污泥和污水处理行业均积极采用新工艺、新技术和新设备，造成部分污泥和污水处理车间的结构趋于不规则化和复杂化，并带来多层结构设计的超限评审问题。对于高层建筑抗震超限评审和论证，国家和地方制定了相关的规定和实施细则，但对多层超限结构尚无具体的规定。

1不规则建筑结构形式划分

根据建筑物的结构形状，可以分为平面不规则造型和垂直不规则造型两种类型。其中平面的不规则设计具有偏心平面刚度、偏心平面强度和偏心平面质量的特点。例如，平面刚度的偏心由平面内刚度和平面外刚度组成。压入方向的刚度是平面内的刚度，垂直压入方向是平面外的刚度。垂直不规则设计类型的特点是楼层间质量集中融合，横向刚度结构不规则，地面荷载力突变等。必须控制邻近楼层70%以下结构的横向刚度，结合内部水平结构改造体系，以纵向横向阻力结构的不连续性为准则，以上层剪切层80%作为土荷载结构突变的准则。

2不规则建筑结构设计的要求

在结构设计中，合理的建筑造型和布局对抗震非常重要。根据GB50010—2010《建筑抗震设计规范》第3.4.1条，特殊不规则建筑方案包括“本规范表3.4.3中同时列出的六种主要不规则类型中的三种或三种以上”。本规范3.4.3中的六种不规则为:扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续、抗侧刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼板承载力突变。在结构设计中，根据抗震规范第3.4.3条中整理出的建筑结构的不规则性，应对每种不规则性采取必要的抗震措施。对于扭转不平顺，应结合结构概念和软件计算结果确定结构的相对薄弱部位，并调整相应的框架柱截面。如框架柱截面的调整受建筑、水暖、电气工程等限制。，可以考虑在薄弱区域增加框架梁截面，在刚度较高的其他区域弱化梁柱截面，以平衡整个结构的抗侧移能力。对于不规则的凹凸，应改进局部凸起部位的抗震构造措施，提高结构的整体抗震性能。对于楼板局部不连续的情况，建议增加开孔区域周围楼板的厚度和配筋，提高开孔后剩余楼板的强度和刚度，以保证楼板能提供可靠的水平传力能力。对于下部架空的连接结构，应提高架空区域梁柱的横向抗震能力，并增加连接部分的楼板刚度，避免该区域成为整个结构中的薄弱部分。对于不规则的侧向刚度，加大了薄弱层的地震剪力，改进了该层柱的抗震构造措施，提高了薄弱层的抗侧向位移能力。

3不规则建筑结构优化分析

3.1对于不规则建筑的抗震措施

(1)平面不规则性加固措施:塔楼局部楼层楼板缺失，楼板缺失部分上部楼板已加厚，采用钢筋桁架楼板承重板；进行楼板应力分析，根据分析结果进行双层双向拉通加固；加强外围部件的刚性；由于局部楼层缺少楼板，个别框架柱在一个方向甚至两个方向都没有框架梁拉结。在构件设计中，按实际计算长度设计跨层柱，并采取措施加强结构。(2)塔体薄弱层加固措施:塔体第一层较高，出现薄弱层，设计时将地震剪力乘以1.25的增大系数。为了提高核心筒的延性，在核心筒的转角处设置型钢。局部墙肢设置型钢，控制中震双向地震下墙肢全截面平均名义拉应力。(3)顶部悬挂结构加固措施:20、21层核心筒外有大跨度平台，由于建筑效果要求，核心筒与框架柱之间不能设置水平框架梁。因此，三根钢柱悬挂在屋顶框架梁上，以承受平台荷载。考虑竖向地震作用，控制屋盖悬挂柱框架梁的应力比和挠度，控制最小竖向振动频率大于3.0Hz。

3.2超限对策和加强措施

(1)优化结构布置，严格控制结构扭转效应，加强周边框架刚度，控制扭转位移比小于1.40。(2)对于楼层有夹层且开口较大的部位，每层厚度加强至150mm，并进行应力分析；按照楼板在小震下不开裂，中震下不屈服的性能目标进行加固。应设置双层双向拉通钢筋，各方向各层最小配筋率不小于0.25%。(3)根据规范抗力要求，底部两层为薄弱层，地震剪力乘以1.25的增加系数，提高其抗震承载力。(4)底层两层框架柱抗震构造措施等级由三级提高到二级，在中等地震时按不屈服原则进行加固。(5)底部两层构件通过考虑和不考虑夹层刚度的计算结果包络值进行加固，并满足两种情况下抗震构造措施的包络。(6)对重力荷载代表值条件下的十层框架柱进行整体屈曲分析，复核其计算长度系数。设计时根据最大配筋结果配置纵筋和箍筋。根据抗震性能的设计理念，进行了小震、中震和大震作用下的结构计算分析。针对超限情况和计算结果，采取了相应的超限对策和抗震加固措施。结合设备安装方案，提出相应的设备基础节点设计。结果表明，该结构能够满足工艺要求、预定性能指标和“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计要求。

3.3中大震性能化设计

在不规则建筑设防烈度地震和预测罕遇地震下的非屈服验算中，不考虑与地震等级有关的内力放大、构件承载力地震调整系数、风荷载和地震作用的组合以及荷载分项系数。材料强度采用标准值，等效弹性验算不考虑地震等级的影响和地震组合中风荷载的参与。结构阻尼比、连梁刚度折减系数、梁刚度放大系数和周期折减系数分别取为0.07、0.3、1.0和1.0，系数按中震小震和大震的平均值计算。经验表明，所有构件在中震下的抗震承载力均可满足性能等级3的要求。为了研究剪力墙肢在中等地震作用下的受拉情况，提取了剪力墙肢在地震作用下的最大拉力和相应的弯矩n和m。结合剪力墙肢对称配筋的特点，可以确定任何双向偏心受拉的矩形截面，只要轴向受拉作用点在该截面纵筋包围的区域之外，即当受拉作用点M/N超过墙肢有效截面h/2-αS时，即为大偏心受拉，反之亦然。本工程单墙肢最大拉应力为2.6MPa，考虑组合墙肢共同工作后，抗拉水平进一步降低，不超过C60混凝土抗拉强度标准值，无需增设型钢抵抗拉力。由于小偏心受拉构件受损时混凝土没有充分发挥作用，因此在特殊一级结构的基础上，中震下小偏心受拉墙体肢的最小纵向配筋率提高了0.2%。

3.4减少不规则结构偏心距

根据实际设计和建筑用途，高层建筑结构的偏心和扭转效应是线性函数碰撞。调整建筑结构偏心可以改变主体结构的扭转效果。因此，在建筑结构规划阶段，规划者应提前重新计算建筑结构，有效协调建筑的平面结构和空间分布，掌握建筑结构刚度分布，准确计算建筑结构的最优相对偏心，合理调整结构的横向力，以防止扭转效应的发生。

结束语

综上所述，为满足现代建筑工程的结构设计需求，要加强建筑结构设计体系的规范性与标准性。在不规则建筑结构设计阶段，设计人员要深入了解与研究建筑结构不规则性设计方法，掌握不规则设计技巧，有效应对与解决设计期间面临的各项问题，以及早构建完善的不规则建筑结构设计体系。

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