復雜不規則建筑結構設計研究

徐英雷

【摘 要】 本文概述了建筑結構不規則性設計的重要意義，分析了建筑不規則結構的基本類型。最后，根據工程實際，針對性的提出了不規則結構設計中應采取的設計措施，為結構設計提供參考。

【關鍵詞】 建筑結構 不規則 概念設計 設計措施

【Abstract】 This paper summarizes the significance of irregularity design on building structure and analyses the basic type of irregular structure. Finally， according to the engineering practice， the proposed improvement measures for irregular structure are put forward. The results could provide a reference for structural design.

【Key words】 building structural irregularity conceptual design design measures

隨著我國城市化進程的提高，越來越多的建筑物一改單調、規則、對稱的建筑風格和建筑結構，追求著不斷創新和獨樹一幟的建筑設計風格，如“大褲衩”、“小蠻腰”等。非對稱性和不規則結構已經成為當前城市建筑物的主流和發展方向[1]。

絕對規則且對稱的建筑物在實際中幾乎不存在。隨著結構體系復雜程度的增大，建筑結構的不規則性越來越大，這種不規則性對結構設計提出了嚴峻的挑戰。結構不規則性的判斷，在結構設計中占有非常重要的地位。它能直接影響結構的建模、結構布置、薄弱樓層判斷、位移比控制，以及最后的施工圖設計。對建筑結構規則性的判斷在結構設計中屬于概念設計的范疇[2-3]。近年來，結構設計中越來越重視概念設計。概念設計的合理，可以給以后施工圖設計帶來很大的方便。

不對稱建筑如平面形狀復雜的L型、T型、勺型等，樓梯間、電梯間偏于平面的一側或一角的建筑等。但內含結構的基本對稱仍是可能實現的。主要取決于結構師結合建筑平面的功能和需要進行合理的結構布置，如筒體、剪力墻的合理布置，可以設法調整結構剛心與質心盡量接近，實現結構的基本對稱。結構的較大不對稱、不規則，將引起結構在水平側力（風荷載、地震荷載）作用下產生較大的扭轉變形，不利于荷載結構抗側力，不利于非結構構件如填充墻、幕墻的正常工作，同時可導致結構材料成本的較大增加[4]。

因此，結構設計必須盡最大可能將建筑結構設計為對稱、規則的形狀，提高整個建筑物的抗側移能力，增加建筑結構的堅固度，提高建筑結構的性能，延長建筑物的安全性和使用壽命。

1 結構對稱性、均勻性的表現

（1）建筑主體抗側力結構沿兩個主軸方向的剛度比較接近、變形特性比較相似。這是因為實際的建筑結構都是三維空間，實際的地震荷載、風荷載都具有任意的方向性；建筑主體抗側力結構兩個主軸方向的剛度比較均勻，就是具有比較良好的抗震抗風性能。

（2）建筑主體抗側力結構沿豎向斷面、構成變化比較均勻、不要突變。這里主要是指主體結構的剪切剛度不要突變。這種均勻的高層建筑可以避免因薄弱層的破壞而引起的結構整體破壞，尤以強震區的高層建筑結構特別注意。

（3）建筑主體抗側力結構的平面布置，應注意同一主體方向各片抗側力結構剛度盡量均勻，應避免在主體結構布置中某一、二片剛度特別大而延性較差的結構。如長窄的實體剪力墻。此時，即使結構仍滿足對稱性和剛度的要求，但這個剛度巨大的結構當發生地震時，將首先吸收極大的能量，應力特別集中，而容易首先招致破壞，從而引起整體結構的破壞。同一主軸方向的各片抗側力結構剛度均勻，水平荷載作用下應力分布將比較均勻，有利于結構抗震延性的實現。

（4）建筑主體抗側力結構的水平布置還應注意中央核心與周邊結構的剛度協調均勻，保證主體結構具有較好的抗扭剛度，以避免建筑物在地震荷載或風荷載的扭矩作用下產生過大的扭轉變形而結構或非結構構件的破壞。這是因為實際的建筑平面變化無窮，特別是相鄰未來建筑的影響，即使自身對稱的建筑，風荷載仍會產生較大的扭矩，有時將超出設計控制的范圍。

2 結構不規則性類型

結構不規則類型可分為兩類：1）平面不規則結構類型，包含扭轉不規則、凸凹不規則、樓板局部不連續等；2）豎向不規則結構類型，包含側向剛度不規則、豎向抗側力構件不連續、樓層承載力突變、樓層間質量突變等[5]。

2.1 平面不規則

1）扭轉不規則：每一樓層自身最大的彈性水平位移大于該樓層兩端的彈性水平位移平均值的1.2倍，或者是最大的層間位移大于該樓層兩端層間位移平均值的1.2倍。

2）凹凸不規則：建筑結構平面凹進一側的尺寸大于其投影方向上總尺寸的30%。

3）樓板局部的不連續：樓板的尺寸以及平面剛度發生急劇的變化。

2.2 豎向不規則的類型

1）側向剛度不規則：該樓層的側向剛度值小于與其相鄰上一樓層的70%；或者小于該樓層以上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80%；排除頂層不算，樓層局部收進的水平向尺寸大于其相鄰下一層的25%。

2）豎向抗側力構件不連續：豎直方向上的抗側力構件的內力通過水平轉換構件而向下傳遞。

3）樓層承載力突變：層間的抗側力結構的受剪程度小于其上一層的80%。

3 不規則設計的主要措施

震害調查和試驗表明，平面不規則、質量與剛度偏心和抗扭轉剛度太弱的建筑結構，受到嚴重的破壞。為避免破壞，可在整個結構設計階段采取以下措施：

（1）在初步設計階段，通過初步計算的結果找到建筑結構的質心、剛心，通過相關試驗數據以及實踐經驗較準確的判斷建筑結構的剛度分布，并再適當的增減距質心較遠的抗側力構件。endprint

（2）減少建筑體的偏心距。結構的扭轉效應往往與其相對偏心距在某種程度上具有一定線性關系。將建筑物平面位置進行適當調整，使整個建筑結構的質心和剛心更接近。

（3）調整建筑結構抗側剛度和抗扭剛度比。限制扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比。當兩者接近時。由于振動耦連的影響，結構的扭轉效應明顯增大。結構扭轉效應與結構周期比的平方的關系基本上是線性的關系，可考慮適當的減小建筑結構的周期。剪力墻結構需在合理范圍內盡量加長或者增厚周邊剪力墻，特別需重視距離剛心最遠處的剪力墻。

（4）合理增強結構周邊構件的抗剪能力。

僅靠調整結構布置來保證結構在強震動下的安全性是不夠的。一旦出現較大額外力作用，其主體結構就會受到不可逆的破壞。如果建筑長期處于非彈性階段，一開始有規則的建筑在受到多重地震作用影響下就會因變形而出現偏心的問題。這時應合理增強周邊邊緣構件的抗剪強度，這樣整體結構即使受到較大的外力作用，仍能在自身彈性恢復力的影響下，回到正常狀態。

（5）合理設置防震縫。對形狀比較復雜的建筑結構，因條件限制導致不能把結構布置成規則的結構，可設置一定的防震縫將結構分成比較簡單的結構單元。設計中應注意兩點：一是如果防震縫兩側的結構并不相同或者對地震的抗力不同，應按照不利一側結構進行設置；二是若出現臨近建筑沉降超出限值的情況，應建立沉降的防震縫。

4 結語

建筑結構不規則性的判斷直接影響建筑結構的建模、結構布置、薄弱樓層等，間接影響整體結構的布置是否經濟、合理、安全。結構師設計不規則的建筑物時，需盡量減小或者避免建筑結構比較容易出現薄弱部位，同時強化那些薄弱部位。隨著計算機的發展應用，會出現更多更好的方法來確定不規則計算結構模型，可以更加真實的模擬實際情況。

參考文獻：

[1]馬愷澤，劉伯權.高層建筑結構抗震性能評估方法的研究與改進[J].建筑科學與工程學報.2012，（4）：32-37.

[2]趙麗清.淺談高層建筑結構分析與設計[J].山西建筑，2007，33（14）：68-70.

[3]夏孔瑜，張曉偉.不規則高層建筑結構設計中應采取的措施研究[J].建筑知識，2012，（l1）：52-53.

[4]安志宏.高層建筑結構設計不規則性的研究與應用[D].吉林大學，2004.

[5]建筑抗震設計規范（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.endprint