摘要：随着社会发展，功能多样化和造型多样化的建筑不断涌现。现代高层建筑的高度不断增加，使用功能也在不断变化，结构的受力情况越来越复杂，给结构设计者带来新的挑战。平面不规则是其中最为常见的型式。本文以本文以一幢平面不规则的高层剪力墙结构工程为例，探讨其结构方案及规则性分析，并采用抗震性能化设计方法对关键部位进行了设计，评估其抗震性能，进而实现该工程的抗震性能目标。
关键词：平面不规则，剪力墙结构，抗震性能目标，设计
1 工程概况
某平面不规则高层建筑为一栋高层住宅楼，采用剪力墙结构体系，建筑面积约 3. 6 万 m2。建筑物地下 2 层，为自行车库和储藏室，地上 34 层，建筑高度 99. 6 m，1 层为物业用房和架空层，2 层以上为住宅，平面左右对称，结构标准层平面图见图1。本工程设防
烈度为7度，场地类别为Ⅱ类，抗震等级为二级，基本风压0.35KN/㎡。
图 1 结构标准层平面布置图
2 结构方案及规则性分析
国内外大地震中相邻结构碰撞造成的震害十分普遍，主要是设置防震缝时，缝宽度过小，地震摇摆使距离过近的结构碰撞，导致结构损伤。现行建筑抗震设计规范中对设缝的相关规定为：体型复杂、平立面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝，并符合相应的要求。其总体倾向是：体型复杂的建筑并不一概提倡设置防震缝，可设缝、可不设缝时，不设缝但应采取相应措施。对本工程，根据建筑平面的特点和平面的复杂程度，结构方案的选择有两种：
1）设缝将结构分成两个相对规则的平面；
2）不设缝，针对平面不规则的类型和程度采取相应的措施。经过对结构方案的对比分析，并根据建筑所在场地的控制条件，综合考虑各方面的因素，最终采用不设缝的结构方案，其主要考虑有以下几方面：
ａ. 由于该场地条件的限制，不设缝方案有利于建筑对场地的控制和利用；
b. 结构不设缝可避免建筑对防震缝的外立面处理；
c. 根据大量地震震害情况及结构大震弹塑性分析结果，对该高度近百米的结构，其防震缝宽度要远大于规范的推荐值，才能保证建筑在进入弹塑性阶段时不发生碰撞或减轻碰撞的损坏程度。设计时针对不设缝的结构方案，对其规则性进行了判定。在平面规则性上，结构在规定的水平地震力作用下，考虑偶然偏心的楼层最大位移比为 1. 19，不超过 1. 20，不属于扭转不规则平面；结构平面凹入约 60% ，超过平面典型宽度的 30% ，属于凹凸不规则平面；结构楼板的有效宽度约为平面典型宽度的 40% ，小于平面典型宽度的 50% ，属于楼板局部不连续；在竖向规则性上，结构不存在刚度突变、承载力突变及竖向构件间断的情况，属于竖向规则结构，根据超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（建质［2010］109 号），综合判定该结构为凹凸不规则和楼板局部不连续的不规则结构，不属于超限结构。
3 结构整体计算分析
根据结构的特点及复杂程度，结构在整体计算分析时采用PMSAP 软件，对弱连接处楼板的局部应力计算分析采用 ETABS软件，结构计算模型如图2所示。
3.1 结构主要计算参数
地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。考虑偶然偏心及双向地震作用，计算振型数为 27，周期折减系数取 0. 95，连梁刚度折减系数取 ，墙、柱混凝土强度等级为 C45 ～ C30，梁、板混凝土等级为 C30，结构抗震等级为二级。
图2 计算模型
3.2 结构主要计算结果
结构的前 2 阶周期分别为Y 向和 X 向的平动，周期值分别为2. 574 5 s 和 2. 458 7 s，第 3 阶周期为扭转，周期值为 2. 242 6 s，结构周期比为 0. 871，满足规范不大于 0. 90 的限值要求，结构具有较好的抗扭刚度；结构 X 向及 Y 向的刚重比分别为5. 39 和 4. 93，满足规范要求，可不考虑重力二阶效应；地震作用下，结构 X 向最大层间位移角为 1 ／ 1 211，位于第 16 层，结构Y 向最大层间位移角为 1 ／ 1 158，位于第 22 层，两个方向均满足规范的限值要求，结构两个方向的变形均呈弯曲型变形曲线，符合剪力墙结构的受力特性；在规定水平地震力作用下，结构 X 向和 Y 向的最大位移比分别为 1. 05 和 1. 19，满足规范对扭转效应的控制要求。
4 连接处楼板分析
对凹凸不规则平面，建筑物易在凹角部位形成应力和变形集中，导致楼板开裂和破坏，从而引起结构的局部破坏甚至倒塌。对该结构，两侧结构单元的刚度较大，连接部位的楼板起着连系和协调两侧结构单元变形的作用并传递地震力，其楼板平面内承受较大的剪力。在地震作用下，一旦连接处楼板发生破坏，不能继续连系和协调两侧结构单元的变形和传递地震力，则两侧结构单元形成独立的抗震单元，若设计中未考虑其单独承担地震作用，则会导致结构出现局部破坏甚至倒塌。根据地震震害经验及抗震设计概念，结合平面不规则的程度，本工程在设计中对连接处楼板采用抗震性能化设计方法，其性能目标为：在小震和中震下楼板处于弹性状态，在大震下楼板截面尺寸满足剪压比的控制要求。即结构在地震下各单元的地震作用全部由连接处楼板承担，楼板截面尺寸满足大震受剪截面控制条件。针对该结构平面的特点，设计中对连接处楼板（图 1 中阴影部分）采用壳单元模拟，分析其应力和变形集中的部位，根据分析结果采取有效的抗震加强措施。
4.1 大震下连接处楼板的简化设计
根据连接处楼板在大震下的抗震性能目标：结构在大震下各单元的地震作用全部由连接处楼板承担，楼板截面尺寸满足大震受剪截面控制条件，即所受地震剪力满足下式的要求。
VEK≤0.15fckbh0。其中，Fck为混凝土轴心抗压强度标准值；b 为楼板厚度；h0为连接处楼板的宽度。连接处楼板在 Y 向地震作用下所受的地震剪力最大，假定在小震作用下第 i 层的 Y 向地震作用为Fyi，由于结构对称，左右两个单元的质量基本相同，故每个单元的Y 向地震作用为 Fyi/2，若两侧单元不对称，则每个单元的地震作用可按各单元质量比例进行分配，由此可得到小震作用下连接处楼板所受的地震剪力标准值为 Fyi/2。根据大震与小震地面峰值加速度大小的比例关系，可近似认为大震下地震剪力为小震的 β倍，β ＝ α大震mａx／ α小震mａx，对本工程 β 值为 6. 0。通过结构小震下的地震作用计算，可得到各层的地震作用，通过式（1）可计算出满足大震剪压比控制要求的各层连接处楼板板厚。设计最小楼板板厚取120 mm，大部分楼层能满足要求，顶部 33 层及 34 层的楼板板厚分别需要 140 mm 和 150 mm 才能满足要求。
图 4 Y 向地震下连接楼板处 X 向应力分布图
4.2 连接处楼板外围楼层梁受力分析
连接处楼板相当于一道水平放置的深梁，其上下翼缘在地震作用下承受较大的拉、压应力。外围的楼层梁相当于连接处楼板的加强肋，在地震作用下，外围的楼层梁与普通楼层梁一样需要承受平面内的弯矩、剪力和扭矩，同时还承受轴向拉、压力和平面外弯矩。通过分析可知，连接处楼板外围楼层梁为承受轴向拉、压力的双向弯、剪、扭构件，设计中应根据其受力状态进行配筋设计及构造处理。
5 结语
1）结构可采用分块刚性楼板假定，对连接处楼板应采用壳单元模拟，以反映真实的受力；
2）加强两侧结构单元的抗侧刚度，以减少扭转效应对连接处楼板受力的不利影响；
3）根据大震剪压比控制条件确定楼板厚度且最小楼板厚度不应小于 120 mm，采用双层双向配筋，配筋率不小于 0. 25% ；
4）连接处楼板外围楼层梁应
按承受轴向拉、压力的双向弯、剪、扭构件进行设计，并采取相应的构造措施。抗震计算分析表明，结构整体受力合理，连接处楼板局部出现应力和变形集中，采取抗震加强措施后构件能实现预期的抗震性能目标。
参考文献：
［1］方鄂华. 高层建筑钢筋混凝土结构概念设计［ M］. 北京：机械工业出版社，2004.
［2］GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.
［3］［法］米兰?扎赛克. 建筑抗震概论［M］. 贾 凡，译. 北京：中国建筑工业出版社，2010.
［4］建质［2010］109 号，超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点［S］.
论文作者:梁克俭
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/16
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