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摘要:本文结合工程实例，就平面不规则高层建筑的结构设计进行介绍，包括了结构和构件设计、结构计算参数、结构的不规则情况和设计措施及地震作用补充计算等方面，较好地保证了建筑结构的安全，可供类似工程的设计参考。
关键词:平面不规则；结构；构件设计； 设计措施
中圖分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
某建筑工程，建筑面积11457.2m2，地下1层，地上21层，建筑总高度66.24m，地下层1～地上层3为商业广场，层高3.6m，层4～21为住宅，层高3.0m。地下层1至地上层2近似为矩形平面，外轮廓尺寸约为25.8m×24.1m，层4以上楼层平面局部收进成“凸”形平面。
工程采用框架-剪力墙结构，存在平面不规则、扭转不规则、楼板不连续、竖向体型收进等抗震不利因素，为不规则高层建筑，须进行抗震设防专项审查。合理布置剪力墙以减弱结构的不规则程度，缓解竖向刚度突变部位和平面薄弱环节在地震作用下应力和变形的集中程度，对薄弱部分进行中震不屈服分析并采取适当的抗震构造措施，提高结构在强烈地震作用下的抗震性能。
2 结构和构件设计
2.1 结构形式
工程设计利用楼、电梯间设置核心筒，在外围框架柱内嵌入剪力墙形成框架-剪力墙结构，该结构形式在较好地满足下部商场和上部住宅建筑功能的同时，保证了结构竖向抗侧力构件的连续，具有良好的抗侧刚度和抗扭性能。
2.2 结构平、立面布置
核心筒剪力墙布置时，纵、横向剪力墙力求均匀对称并互为翼墙，并保证筒体角部墙肢的完整性，提高核心筒的抗震性能。通过优化调整建筑物周边剪力墙墙肢长度和厚度，实现结构质量中心和刚度中心的接近或重合，减小结构的扭转效应。
2.3 地下室设计
地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，板厚为180mm，楼面钢筋双层双向配置，配筋率为0.25%。地下层1柱的配筋按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(简称抗规)第6.1.14的规定加强。
2.4 上部结构主要构件设计
(1)剪力墙的设计
核心筒周边和结构外围剪力墙厚度从下往上分别为350，300，250，200mm，对应的剪力墙端柱及框架柱的截面尺寸分别为700，600，500mm，混凝土强度等级分别为C40，C35，C30。
(2)框架梁、暗梁和次梁的设计
嵌入框架柱之间的剪力墙在楼面位置设暗梁，暗梁宽度为墙宽，高度取墙宽的两倍且不小于600mm，该暗梁参与结构整体计算并按框架梁计算配筋。核心筒区域剪力墙设边框暗梁，宽度为墙宽，高度为墙宽的两倍，该暗梁按抗震构造配筋。
(3)楼板设计
竖向体型突变部位及上下1层的楼板厚度分别为150，130mm，双层双向配筋，配筋率取计算值且不小于0.25%。
3 结构计算参数
该工程设计使用年限50年，抗震设防烈度为8度、第三组，设计基本地震加速度值0．2g，抗震设防类别为丙类，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45s，多遇地震影响系数最大值0.16，罕遇地震影响系数最大值0.9，抗震等级为一级。50年重现期基本风压0.30kN/m2，地面粗糙度B类。楼面恒荷载按实际计算:活荷载卧室、起居室楼面2.0kN/m2，楼梯间及前室3.5kN/m2，电梯机房7.0kN/m2，卫生间2.0kN/m2，厨房2.0kN/m2，阳台2.5kN/m2，上人屋面2.0kN/m2，不上人屋面0.5kN/m2。
4 结构的不规则情况和设计措施
4.1 楼板不连续
为提高楼板削弱区域抗震性能，竖向体型突变部位的楼板在该区域的厚度取180mm，其他楼层的板厚在该区域分别增加30mm，该薄弱区域楼板钢筋采用双层双向通长设置，配筋率不小于0.30%。楼板边缘设扁梁，扁梁上部纵筋直锚入楼板内，锚固长度按照抗震要求确定。
4.2 凸凹不规则
本工程层4～21平面凸出长度为11.3m，大于平面突出方向结构总长度(22m)的51.4%，按照高规判别为凸凹不规则。结构设计时对平面尺寸突变位置的楼板厚度和配筋进行加强。
4.3 竖向体型收进
(1)竖向体型收进的判别
因建筑使用功能变化，本工程层4以上结构平面部分收进，体型收进位置的高度为11.1m，为建筑总高度的17%，接近高规第3.5.5条20%的限值。收进后的平面宽度为12.7m，为下部楼层对应宽度的49.6%。按照高规第3.5.5条收进后的平面尺寸不宜小于下部楼层平面尺寸75%的规定，本工程为结构竖向不规则。
(2)竖向体型收进建筑的抗震加强措施
结构薄弱层在多遇地震作用下的剪力设计值乘以1.25的增大系数。该楼层剪力墙的墙肢名义剪应力的控制和剪力墙水平抗剪钢筋的配置采用中震不屈服分析的计算剪力。在结构设计时上部收进楼层和相邻下部楼层对应位置剪力墙和框架柱的截面尺寸不变，混凝土强度等级不变，以减小两个楼层的抗侧移刚度和承载力的差异。在结构设计时竖向体型收进楼层及地上层4设置约束边缘构件，提高墙肢的抗震性能。对竖向体型突变部位及其上、下一层楼板的厚度和配筋采取加强措施。
4.4 扭转不规则
(1)扭转不规则的判别
在双向地震作用和考虑偶然偏心的地震作用下，本工程最大弹性层间位移和楼层的平均层间位移之比的最大值为1.32(X向)，1.16(Y向)，最大位移与层平均位移的比值为1.31(X向)，1.14(Y向)。按照抗规第3.4.5条判定为扭转不规则。
(2)扭转不规则的控制
为了减小结构的扭转效应，剪力墙的布置力求均匀对称，努力实现结构质量中心和刚度中心的接近或重合。并加强结构周边剪力墙的抗侧刚度，适当削弱核心筒的刚度，提高结构的抗扭性能。
本工程结构整体计算模型经过反复优化，结构质量中心和刚度中心的距离为0.01～0.07m(X向)、0.05～0.37m(Y向)，分别为对应方向建筑物边长的0.27%，1.50%。
本工程Tt/T1=0.7739，远小于规范0.9的限值要求，较好地控制了结构的扭转效应。
工程设计中严格控制楼层竖向构件最大的水平位移与该楼层水平位移平均值的比值，避免出现该比值大于1.4的情况。
4.5 转角窗
本工程层4～21在轴?和轴?的两个端头各有一个转角窗。转角窗的设置削弱了结构的抗扭性能，成为抗震薄弱环节，在强烈地震作用下易导致地震应力和变形的集中，造成结构的局部破坏。为提高结构的抗震性能，在转角窗的洞口两侧设置剪力墙并设端柱，端柱全高箍筋加密；转角处楼板局部加厚，并加强楼板钢筋的配置；洞口边缘的端柱之间设置暗梁贯穿楼板，并提高转角梁的抗扭承载力和抗弯承载力。
5 地震作用补充计算
5.1 中震不屈服分析
(1)计算参数的设置
为了合理布置剪力墙，保证结构体系具有良好的塑性耗能能力，避免主要受力构件出现脆性破坏，设计对剪力墙主要墙肢和连梁进行中震不屈服分析，地震影响系数最大值取0.45。
(2)中震不屈服分析结果
经过反复优化，本工程在中震作用下剪力墙和连梁名义剪应力没有出现超限情况，剪力墙施工缝抗滑移验算超限情况也比较少。但框架梁混凝土受压区相对高度超限和纵向钢筋配筋率超限的情况较多，剪力墙边缘构件纵向钢筋配筋率超限的情况也比较普遍。
5.2 弹性动力时程分析
为保证结构安全，设计采用弹性动力时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算分析。弹性动力时程分析采用SATWE程序内置的特征周期Tg=0.45s对应的3组人工波和4组实测地震波进行结构分析，地震加速度时程曲线的最大值为70cm/s2，地震波按照双向输入，加速度最大值按主次方向1∶0.85的比例取值。
6 结语
对于现代城市日益涌现的造型新颖别具一格的平面不规则建筑，结构设计人员应细心分析各种情况，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。实践证明，本工程的设计措施是有效的，不仅提高了关键构件的塑性耗能能力，还较大地改善了整个结构的抗震性能，有效地保障了结构的安全。
参考文献
[1] 陈万滨.具有不规则平面的高层建筑结构选型与设计[J].基建优化,2005年02期
[2] 孙昱斌;吕方宏.某平面不规则高层建筑的结构设计[J].建筑科学,2003年06期
关键词:平面不规则；结构；构件设计； 设计措施
中圖分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
某建筑工程，建筑面积11457.2m2，地下1层，地上21层，建筑总高度66.24m，地下层1～地上层3为商业广场，层高3.6m，层4～21为住宅，层高3.0m。地下层1至地上层2近似为矩形平面，外轮廓尺寸约为25.8m×24.1m，层4以上楼层平面局部收进成“凸”形平面。
工程采用框架-剪力墙结构，存在平面不规则、扭转不规则、楼板不连续、竖向体型收进等抗震不利因素，为不规则高层建筑，须进行抗震设防专项审查。合理布置剪力墙以减弱结构的不规则程度，缓解竖向刚度突变部位和平面薄弱环节在地震作用下应力和变形的集中程度，对薄弱部分进行中震不屈服分析并采取适当的抗震构造措施，提高结构在强烈地震作用下的抗震性能。
2 结构和构件设计
2.1 结构形式
工程设计利用楼、电梯间设置核心筒，在外围框架柱内嵌入剪力墙形成框架-剪力墙结构，该结构形式在较好地满足下部商场和上部住宅建筑功能的同时，保证了结构竖向抗侧力构件的连续，具有良好的抗侧刚度和抗扭性能。
2.2 结构平、立面布置
核心筒剪力墙布置时，纵、横向剪力墙力求均匀对称并互为翼墙，并保证筒体角部墙肢的完整性，提高核心筒的抗震性能。通过优化调整建筑物周边剪力墙墙肢长度和厚度，实现结构质量中心和刚度中心的接近或重合，减小结构的扭转效应。
2.3 地下室设计
地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，板厚为180mm，楼面钢筋双层双向配置，配筋率为0.25%。地下层1柱的配筋按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(简称抗规)第6.1.14的规定加强。
2.4 上部结构主要构件设计
(1)剪力墙的设计
核心筒周边和结构外围剪力墙厚度从下往上分别为350，300，250，200mm，对应的剪力墙端柱及框架柱的截面尺寸分别为700，600，500mm，混凝土强度等级分别为C40，C35，C30。
(2)框架梁、暗梁和次梁的设计
嵌入框架柱之间的剪力墙在楼面位置设暗梁，暗梁宽度为墙宽，高度取墙宽的两倍且不小于600mm，该暗梁参与结构整体计算并按框架梁计算配筋。核心筒区域剪力墙设边框暗梁，宽度为墙宽，高度为墙宽的两倍，该暗梁按抗震构造配筋。
(3)楼板设计
竖向体型突变部位及上下1层的楼板厚度分别为150，130mm，双层双向配筋，配筋率取计算值且不小于0.25%。
3 结构计算参数
该工程设计使用年限50年，抗震设防烈度为8度、第三组，设计基本地震加速度值0．2g，抗震设防类别为丙类，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45s，多遇地震影响系数最大值0.16，罕遇地震影响系数最大值0.9，抗震等级为一级。50年重现期基本风压0.30kN/m2，地面粗糙度B类。楼面恒荷载按实际计算:活荷载卧室、起居室楼面2.0kN/m2，楼梯间及前室3.5kN/m2，电梯机房7.0kN/m2，卫生间2.0kN/m2，厨房2.0kN/m2，阳台2.5kN/m2，上人屋面2.0kN/m2，不上人屋面0.5kN/m2。
4 结构的不规则情况和设计措施
4.1 楼板不连续
为提高楼板削弱区域抗震性能，竖向体型突变部位的楼板在该区域的厚度取180mm，其他楼层的板厚在该区域分别增加30mm，该薄弱区域楼板钢筋采用双层双向通长设置，配筋率不小于0.30%。楼板边缘设扁梁，扁梁上部纵筋直锚入楼板内，锚固长度按照抗震要求确定。
4.2 凸凹不规则
本工程层4～21平面凸出长度为11.3m，大于平面突出方向结构总长度(22m)的51.4%，按照高规判别为凸凹不规则。结构设计时对平面尺寸突变位置的楼板厚度和配筋进行加强。
4.3 竖向体型收进
(1)竖向体型收进的判别
因建筑使用功能变化，本工程层4以上结构平面部分收进，体型收进位置的高度为11.1m，为建筑总高度的17%，接近高规第3.5.5条20%的限值。收进后的平面宽度为12.7m，为下部楼层对应宽度的49.6%。按照高规第3.5.5条收进后的平面尺寸不宜小于下部楼层平面尺寸75%的规定，本工程为结构竖向不规则。
(2)竖向体型收进建筑的抗震加强措施
结构薄弱层在多遇地震作用下的剪力设计值乘以1.25的增大系数。该楼层剪力墙的墙肢名义剪应力的控制和剪力墙水平抗剪钢筋的配置采用中震不屈服分析的计算剪力。在结构设计时上部收进楼层和相邻下部楼层对应位置剪力墙和框架柱的截面尺寸不变，混凝土强度等级不变，以减小两个楼层的抗侧移刚度和承载力的差异。在结构设计时竖向体型收进楼层及地上层4设置约束边缘构件，提高墙肢的抗震性能。对竖向体型突变部位及其上、下一层楼板的厚度和配筋采取加强措施。
4.4 扭转不规则
(1)扭转不规则的判别
在双向地震作用和考虑偶然偏心的地震作用下，本工程最大弹性层间位移和楼层的平均层间位移之比的最大值为1.32(X向)，1.16(Y向)，最大位移与层平均位移的比值为1.31(X向)，1.14(Y向)。按照抗规第3.4.5条判定为扭转不规则。
(2)扭转不规则的控制
为了减小结构的扭转效应，剪力墙的布置力求均匀对称，努力实现结构质量中心和刚度中心的接近或重合。并加强结构周边剪力墙的抗侧刚度，适当削弱核心筒的刚度，提高结构的抗扭性能。
本工程结构整体计算模型经过反复优化，结构质量中心和刚度中心的距离为0.01～0.07m(X向)、0.05～0.37m(Y向)，分别为对应方向建筑物边长的0.27%，1.50%。
本工程Tt/T1=0.7739，远小于规范0.9的限值要求，较好地控制了结构的扭转效应。
工程设计中严格控制楼层竖向构件最大的水平位移与该楼层水平位移平均值的比值，避免出现该比值大于1.4的情况。
4.5 转角窗
本工程层4～21在轴?和轴?的两个端头各有一个转角窗。转角窗的设置削弱了结构的抗扭性能，成为抗震薄弱环节，在强烈地震作用下易导致地震应力和变形的集中，造成结构的局部破坏。为提高结构的抗震性能，在转角窗的洞口两侧设置剪力墙并设端柱，端柱全高箍筋加密；转角处楼板局部加厚，并加强楼板钢筋的配置；洞口边缘的端柱之间设置暗梁贯穿楼板，并提高转角梁的抗扭承载力和抗弯承载力。
5 地震作用补充计算
5.1 中震不屈服分析
(1)计算参数的设置
为了合理布置剪力墙，保证结构体系具有良好的塑性耗能能力，避免主要受力构件出现脆性破坏，设计对剪力墙主要墙肢和连梁进行中震不屈服分析，地震影响系数最大值取0.45。
(2)中震不屈服分析结果
经过反复优化，本工程在中震作用下剪力墙和连梁名义剪应力没有出现超限情况，剪力墙施工缝抗滑移验算超限情况也比较少。但框架梁混凝土受压区相对高度超限和纵向钢筋配筋率超限的情况较多，剪力墙边缘构件纵向钢筋配筋率超限的情况也比较普遍。
5.2 弹性动力时程分析
为保证结构安全，设计采用弹性动力时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算分析。弹性动力时程分析采用SATWE程序内置的特征周期Tg=0.45s对应的3组人工波和4组实测地震波进行结构分析，地震加速度时程曲线的最大值为70cm/s2，地震波按照双向输入，加速度最大值按主次方向1∶0.85的比例取值。
6 结语
对于现代城市日益涌现的造型新颖别具一格的平面不规则建筑，结构设计人员应细心分析各种情况，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。实践证明，本工程的设计措施是有效的，不仅提高了关键构件的塑性耗能能力，还较大地改善了整个结构的抗震性能，有效地保障了结构的安全。
参考文献
[1] 陈万滨.具有不规则平面的高层建筑结构选型与设计[J].基建优化,2005年02期
[2] 孙昱斌;吕方宏.某平面不规则高层建筑的结构设计[J].建筑科学,2003年06期