高層建筑結構設計不規則性的研究與應用

【摘要】隨著科技水平的不斷提升，建筑行業的相關技術發展到一個嶄新的階段，如今高層建筑的結構體系已逐漸完善，并且向不規則性體系結構的建設方向邁進。由于不同的環境和地質，在建筑設計的過程中必須重點突出對不規則設計的研究，只有這樣才能保障不規則建筑結構具有良好的抗震性能。

【關鍵詞】高層建筑結構設計；不規則性；應用

引言：在高層建筑實際工程設計中，由于考慮不同的建筑功能需求、外觀立面及場地條件等因素，要使高層建筑結構方案規則往往比較困難。不規則高層建筑已經逐漸在建筑行業嶄露頭角，在各大大中型城市得到應用。不規則高層建筑的結構非常復雜，在進行抗震設計的過程中，需要綜合考慮抗震結構設計、地震時的受力情況等因素。

1、高層建筑結構中不規則性發展的現狀

隨著我國經濟快速發展，人們生活水平不斷提高，城市化進程加快、范圍擴大，對建筑的類別和建筑高度等方面的要求也不斷提高，也推動了建筑行業的不斷發展和革新。建筑工程設計為了適應當前城市發展和迎合市場需求，打破了傳統的高層建筑設計上要求建筑結構規則、對稱的設計理念。建筑設計師為了設計出新穎別致、獨樹一幟的建筑，使之成為城市里的一道靚麗風景，通常使高層建筑方案很不規則，這就給結構設計人員帶來了極大的難度和挑戰。

2、不規則高層建筑結構發展存在的問題

2.1不規則建筑物的超高限問題 隨著不規則建筑物高度的增加，很多結構參數會發生一定的質變，超出原有的安全系數范圍，這樣會降低不規則高層建筑的安全保障性能。如今隨著科學技術水平、建筑科研水平、施工水平的不斷提升，土建規范體系的建設逐步完善，但是依舊存在著很多的超高限建筑物，如果建筑物超出了安全的高度限制，建筑物的防烈度和結構穩定性會降低，為此，不規則高層建筑物的高度應該由專家進行論證，并結合模型振動臺進行試驗，保障不規則高層建筑物的抗震性能。

2.2材料的選用和結構體系存在問題 目前國內可選用的不規則高層建筑結構主要有三大類：框―筒、筒中筒和框架―支撐體系，結構材料主要以鋼結構和鋼筋混凝土結構為主，但是，不規則高層建筑的框架在實際選用中主要是以框架―核心筒體系為主，用鋼量少，建筑的變形控制主要以鋼筋混凝土結構的位移限值為基準，但是是在施工過程中的彎曲變形側移較大，鋼結構的負擔增大，加強層與轉換層之間的大剛度容易導致剛度突變在選材方面，只選擇鋼筋混凝土結構不夠合理，而應該選用性能更佳的鋼骨混凝土結構、鋼管混凝土（ 柱） 結構或鋼結構，改善結構的抗震性能。

2.3抗震設防烈度較低 目前不規則高層建筑的抗震設防烈度非常低， 這與結構設計存在著密切聯系。目前現行的抗震設防標準較低，具體抗震計算方法和構造規定的安全標準有很多不完善的地方，建筑外設計的配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等方面存在著很大缺陷，結構造價的投資過少等，這都嚴重影響了不規則高層建筑物的抗震設防烈度。

3、高層建筑結構設計不規則性的應用

3.1 高層建筑結構不規則性的判定與設計控制

高層建筑結構不規則性主要有結構本身的不規則，扭轉不規則等判定，結構本身的不規則包括施工工藝和條件的限制、樓層質心的偏移、結構剛度退化不均勻。高層建筑結構設計不規則性會導致各種不可預知的變化，結構的彈性階段和非彈性階段的轉變節點難以評估，剛度和強度變化都比較明顯，容易使構件發生扭轉反應。位移比是判定建筑結構不規則的一個重要指標，通過分析剛度和質量平面分布，計算側向變形和扭轉變形的相對值，扭轉變形過大導致結構過早進入破壞狀態，形成隱患，因而以位移比來評估不規則特征具有積極的作用。

3.2 高層建筑結構設計不規則的加強措施

（1）合理布置結構中的不規則部件：要減小各種偏心情況，避免建筑中出現大的扭轉效應，確保整體的穩定性。

（2）增強扭轉強度，提高材料抵抗破壞的能力，不規則結構的應力應變比較復雜，在相對薄弱偶的環節易出現扭轉性能差的問題，需要對薄弱的環節進行強化，防止結構的失穩或扭轉嚴重，而材料是關鍵的加強因素，高質量的材料可以減少各種問題，提高強度。

（3）設置防震縫：地震是偶發性的破壞因素，但是對于不規則建筑結構的破壞作用非常明顯，常常帶來很大的損失，為了降低地震的破壞作用，需要設置防震縫，將建筑分成若干個結構剛度、形體獨立的部分，減輕相鄰結構的相互碰撞，防震縫在其中發揮著重大的影響，可以明顯的降低地震變形的問題，提高安全性。

（4）提高周邊抗扭構件的抗剪力，高層建筑結構如果受到雙向水平地震的作用，可能會發生非彈性變化，即非恢復性的變形，從而加劇偏心。因而要提高周邊抗扭構件的抗剪力，可以確保高層建筑在強震情況下，仍處于整體彈性狀態，減少損壞。

（5）減小建筑結構的相對偏心距，不規則建筑結構的偏心嚴重，需要減小相對偏心距，這樣才能提高整體的結構性能。

（6）調整建筑結構抗扭剛度和抗側剛度比，如果不規則高層建筑無法削弱中部剪力墻，也不能加強周邊剪力墻，可以適當調整結構抗扭剛度和抗側剛度比，加強周邊框架梁的剛度，形成套箍效應，明顯降低扭轉效應。

（7）剛心與質心的檢查，要驗證二者的距離是否過大，根據偏心情況布置剪力墻，并調整剛心位置，加強抗扭剛度，提高結構的抗震性。

（8）綜合考量最大位移值和位移比，在符合扭轉周期的情況下，適當放寬位移比限制，但不能超過40%。

3.3 高層建筑結構設計不規則性的注意事項

（1）不規則建筑具有平面的深凹口，需要加強樓板的剛性，在凹口處設置拉梁，并且該部位的樓板不足以視為剛性樓板，也不能因設置拉梁而作為樓板開洞處理，但可以視為彈性板計算。

（2）判別薄弱泊位和結構薄弱層，并進行驗算，采取針對性的加強措施。

（3）對于不落地構件通過次梁轉換的問題，要慎重應對，要明確計算不落地構件的地震作用，要分析其傳遞途徑，采取加強措施，確保轉換構件的穩定性。

（4）設計的針對性，高層建筑結構的設計各有不同，存在很大的差異性，由于形狀的多變，在設計時往往很少有明確的參考，需要針對性的計算、驗證，如變形、偏心計算、應力、承載力、位移比等，需要通過計算機技術模擬，經過詳細的驗證。

（5）設計的硬性指標，不規則高層建筑結構的安全性和穩定性常常成為人們擔心的問題，需要確保一些硬性的指標通過審核，如抗震強度、剛度等重要的指標，確保建筑整體的可靠性和使用壽命。

（6）環保要求，許多高層建筑追求美觀、低碳、智能化等特點，環保是未來建筑設計的發展方向，而不規則高層建筑是具有代表性的建筑形式，引領了潮流，因而在設計時不能僅僅事考慮傳統的設計要求，需要引入環保意識，這樣可以節省資源，提高建筑的效益。

4、結束語

我國的經濟發展非常迅速，各種建筑形式百花齊放，而不規則的高層建筑已經成為一種潮流，具有典型性，是地區發展的標志，具有重要的作用，因而研究高層建筑結構設計不規則性的特點和應用，為提升其整體的安全性和穩定性做出一定的貢獻，相關的研究值得進一步深入。

參考文獻

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