高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的研究與應(yīng)用

劉紹鵬

（沈陽新大陸建筑設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，已經(jīng)突破了傳統(tǒng)建筑中所要求的規(guī)則性與對(duì)稱性，更多新穎的建筑形式得到了應(yīng)用，不規(guī)則性建筑便是其中的一種。

一、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的類型

立足于結(jié)構(gòu)類型而言，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則種類主要分為兩種類型，即平面不規(guī)則類型和豎向不規(guī)則類型。其中平面不規(guī)則類型主要包括：建筑結(jié)構(gòu)的樓板連續(xù)性的缺乏、凹凸不規(guī)則、建筑平面結(jié)構(gòu)的不規(guī)則扭轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu)種類；而豎向不規(guī)則種類則包含：樓層承載力突變、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不規(guī)則、側(cè)向剛度不規(guī)則等結(jié)構(gòu)類型。

（一）平面不規(guī)則的類型

高層建筑平面結(jié)構(gòu)的不規(guī)則行主要體現(xiàn)在樓板局部不連續(xù)、凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等方面。首先，樓板結(jié)構(gòu)連續(xù)性的缺乏主要原因是因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)的平面和樓板面積出現(xiàn)的劇烈變化導(dǎo)致的。其次，不規(guī)則的凹凸在借助建筑結(jié)構(gòu)的投影尺寸上得以體現(xiàn)，同時(shí)其平面結(jié)構(gòu)凹進(jìn)的面積在30%以上。最后平面不規(guī)則扭轉(zhuǎn)主要是立足于每層樓房結(jié)構(gòu)的兩端存在的彈性水平位移量展開判斷，若是樓層結(jié)構(gòu)的水平位移量在平均值的1.2 倍以上，那么建筑樓層結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生不規(guī)則扭轉(zhuǎn)。

（二）豎向不規(guī)則的類型

第一，側(cè)向剛度的不規(guī)則，衡量措施是該流程的側(cè)向剛度值在挨著上層樓層的70%以內(nèi)；其次，豎直方向結(jié)構(gòu)抗側(cè)列位置沒有連貫性，衡量措施是結(jié)構(gòu)受力是通過水平設(shè)施展開輸送的；再者，樓層的承載力有明顯的改變，它的衡量措施是層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪程度在一層中；最后，樓層間的重力改變特別明顯，它的衡量措施是樓層重量超過下層1.5 倍。

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則的使用依靠研究人員的研究得出，在出現(xiàn)地震的情況時(shí)，平面分布不均勻是建筑結(jié)構(gòu)破壞得最厲害的區(qū)域，在全部結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)和剛度作用偏差很大或者扭轉(zhuǎn)剛度太小的結(jié)構(gòu)也有十分強(qiáng)烈的損毀。通過研究分析可知，扭轉(zhuǎn)作用和地震造成的水平晃動(dòng)豎直作用相比，其對(duì)建筑有著更嚴(yán)重的損毀作用，這就需要有關(guān)的設(shè)計(jì)人員在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)時(shí)，要大力控制主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，能夠挑選以下方式控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)：第一點(diǎn)，最大化保持平面和空間上的對(duì)稱性，確保其的分布規(guī)章性，避免較大偏心作用的出現(xiàn)，從而將主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)科學(xué)減少。其次，在建筑結(jié)構(gòu)有效的范圍內(nèi)，把建筑扭轉(zhuǎn)剛度值大小的最大化提升，提升扭轉(zhuǎn)作用下的抵抗能力。

二、平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）平面不規(guī)則性的定義

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）規(guī)定的建筑平面不規(guī)則類型主要分為3 種：1.規(guī)定水平力作用下，樓層最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移），超過1.2 倍樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）均值；2.建筑平面凹進(jìn)尺寸超過0.3 倍相應(yīng)投影方向總尺寸；3）主要表現(xiàn)為樓板尺寸、剛度出現(xiàn)急劇變化。

（二）平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.全面分析建筑項(xiàng)目概況、場(chǎng)地條件、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)則性，根據(jù)規(guī)范對(duì)其不規(guī)則程度進(jìn)行超限判別；2.根據(jù)項(xiàng)目綜合分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案選型、平面布置；3.借助各種計(jì)算軟件開展結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，包括：用振型分解反應(yīng)譜法分析多遇地震工況下的性能、開展罕遇地震下的彈塑性分析、進(jìn)行樓板的應(yīng)力分析工作，由此充分了解建筑抗震性能，找出薄弱環(huán)節(jié)，落實(shí)加強(qiáng)措施，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)抗震目標(biāo)。

三、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的策略

當(dāng)前，隨著高層建筑的迅速發(fā)展，國內(nèi)外諸多業(yè)內(nèi)學(xué)者紛紛開展了對(duì)高層建筑的深層次研究，其中也包括對(duì)高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之后，高層建筑初選結(jié)構(gòu)破壞的問題，很多時(shí)候都是由于建筑結(jié)構(gòu)本身的不規(guī)則性所造成的。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)遭受損壞的最主要因素。由此可見，在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須要重點(diǎn)控制好不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。以下就介紹幾種控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的策略。

（一）提高抗扭剛度與抗側(cè)剛度

為了有效控制好不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)實(shí)際情況提高建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度與抗側(cè)剛度。通過對(duì)高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析不難發(fā)現(xiàn)，高層建筑主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)自我振動(dòng)周期的扭轉(zhuǎn)情況與平方值應(yīng)當(dāng)要具備線性函數(shù)關(guān)系。因此，在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)要盡可能地減少建筑自我振動(dòng)時(shí)間，從而降低高層建筑主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在分析高層建筑的剪刀墻結(jié)構(gòu)之時(shí)，可以通過改變墻體大小以及在實(shí)際操作過程中根據(jù)主體結(jié)構(gòu)邊緣處柱梁的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而減少高層建筑主體結(jié)構(gòu)的自我振動(dòng)周期、控制其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。另外，通過適當(dāng)提高邊緣梁值，也可以起到調(diào)整抗扭剛度與抗側(cè)剛度的作用。

（二）降低相對(duì)偏心距

通過降低相對(duì)偏心距，可以比較有效地控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，其主要原理在于高層建筑結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距及其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可呈線性函數(shù)關(guān)系。也就是說，通過減小樓體間的位移，便可以降低由主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)所造成的不良影響?；诖耍瑧?yīng)當(dāng)要在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距，從而改善高層建筑結(jié)構(gòu)的平面、空間整體分布情況及提高結(jié)構(gòu)間的穩(wěn)定性與安全性。與此同時(shí)，在實(shí)際建筑施工過程中，也可以采取一些有效的措施來減小高層建筑結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距。為此，應(yīng)當(dāng)要對(duì)高層建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，然后以此為根據(jù)來制定出一套科學(xué)的相對(duì)偏心距調(diào)整方案，并在設(shè)計(jì)圖紙上明確標(biāo)記相對(duì)偏心距的位置，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行準(zhǔn)確分析，這樣才能夠切實(shí)保障高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。

（三）增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度

增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度是控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的常用方法。光是通過協(xié)調(diào)主體結(jié)構(gòu)分布，并不能真正有效控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，一旦受到較大的外力作用，則主體結(jié)構(gòu)很容易會(huì)遭到破壞。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，如果高層建筑長(zhǎng)期處于非彈性階段的話，即使其結(jié)構(gòu)最初是規(guī)則性的，但一旦遭受地震作用的影響，其結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生偏心缺陷而轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則。因此，為了確保高層建筑主體結(jié)構(gòu)的抗震性能，必須要提高主體結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度，這樣即使高層建筑整體結(jié)構(gòu)遭受了巨大外力作用，也可以受到自身彈性作用而回到正常狀態(tài)。

（四）設(shè)置防震縫

在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過設(shè)置防震縫，可以發(fā)揮出良好的控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的作用。一般來說，高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常會(huì)應(yīng)用到一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的平面形狀，而由于受到現(xiàn)實(shí)因素限制，往往無法合理設(shè)置規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，對(duì)此，只有采取設(shè)置防震縫的方法，才能夠有效將建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單結(jié)構(gòu)單元。需注意，對(duì)于不同體系結(jié)構(gòu)的兩側(cè)、不同作用的地震效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)要根據(jù)實(shí)際情況來合理確定防震縫的寬度。另外，若相鄰結(jié)構(gòu)的沉降較大的話，也可以利用防震縫來發(fā)揮沉降縫的作用。

四、結(jié)束語

在目前的很多大中城市中，我們可以看到越來越多的高層和超高層建筑體，不僅如此，這些建筑體在結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上也在逐漸趨于不規(guī)則形態(tài)，這類高層不規(guī)則建筑已經(jīng)越來越普遍。這樣的建筑體在滿足人們視覺需求及對(duì)于個(gè)性化的追求的同時(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)施上也提出了更高要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師要從項(xiàng)目的實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合一些關(guān)鍵問題利用技術(shù)手段尋求突破，讓高層不規(guī)則建筑的性能得到發(fā)揮，同時(shí)，讓其穩(wěn)定性和抗震性也得到有效保障。