高層建筑結構設計不規則性的研究與應用分析

王海波

摘要： 現階段，隨著城市化進程的進一步推進，高層建筑尤其是不規則高層建筑大量出現，結構設計中經常出現不規則性質，極大程度上影響了現代高層建筑設計，使得建筑結構時需要具備更高的分析要求和更復雜的分析精度，文本主要分析了發展現狀，基本結構，以及實際應用不規則性的情況，為進一步研究和分析高層建筑提供依據和參考。

Abstract： At present， with the further advance of urbanization， high-rise buildings， especially the irregular high-rise buildings have teemed. The irregularity in the structure design has largely affected the modern high-rise building design， requiring higher analysis demand and more complex analysis precision. This article mainly analyzes the current situation， basic structure， as well as the practical application of irregularity， which provides basis and reference for further research and analysis of high-rise building.

關鍵詞： 高層建筑；結構設計；不規則性；研究與應用

Key words： high-rise buildings；structure design；irregularity；research and application

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0107-02

0 引言

在設計高層建筑結構的時候，因為會受到多種因素的影響，導致建筑結構經常出現不規則性，主要就是體現在局部樓板不規則、豎向自身剛度不規則以及凹凸不規則等，所以，在實施設計建筑結構的時候，需要準確判斷設計建筑不規則性，保證建筑的安全性和穩定性，高層建筑設計不規則性不但能夠提供良好視覺效果，也能影響建筑整體安全性，因此，在設計建筑結構的時候，需要高度重視不規則性，完全設計建筑結構的效果和作用。

1 高層建筑不規則性的發展現狀

伴隨著不斷發展科學技術以及國家經濟，開始大力發展建筑行業，為了能夠滿足市場需求以及城市化發展進程，設計人員在設計建筑結構的時候，需要不斷更新和改變設計理念，從傳統的對稱設計規則和理念變為多樣、新穎、獨特的建筑設計風格，如不對稱、不規則高層建筑結構，因為不斷改變的思維意識，越來越多出現復雜外形的設計結構，不規則的高層建筑形式，基于此，未來高層建筑發展方向就是不規則設計，雖然不規則設計方式能夠極大程度提高建筑美感度，但是會在一定程度上提高建筑強度，怎樣在保證穩定、安全的基礎上，設計獨特的不規則建筑形式，成為建筑行業未來發展的重大問題[1]。

2 劃分高層建筑中不規則結構

依據抗震規范設計建筑不規則架構的時候能夠分成以下三個級別：一是，一般不規則。依據相關標準和設計規范來提出合理解決措施；二是，特殊不規則。經過相關部門和專家論證以后提出符合標準規范的解決措施，檢查建筑抗震級別的時候嚴格遵守第111號建設部設計規范；三是，嚴重不規則。依據實際設計規范要求合理調整和修改建筑方式。包括豎向不規則和平面不規則兩種結構形式。

2.1 平面不規則結構種類 平面不規則設計結構主要包括扭轉不規則、凹凸不規則、樓板局部不規則三種形式，從以上三個角度來著重分析高層建筑平面設計不規則形式。

2.1.1 平面剛度偏心 平面剛度偏心包括兩種形式，平面外剛度和平面內剛度，平面外剛度就是垂直荷載作用方向的剛度；平面內剛度就是具備一致與荷載作用方向的剛度。因為理想設計構件模型、施工環境、承受荷載與實際構件情況之間的差異，促使出現不唯一的平面剛度，也就是說會適當降低剛度[2]。

2.1.2 平面質量偏心 設計不同尺寸界面結構構件的時候，會出現質量偏心現象，此外因為施工條件、設計結構等原因出現質量偏性，依據國家抗震相關設計規范指標，設計平面規則結構的過程中，分析偏心影響的時候，需要合理應用簡化的提高邊榀結構地震作用效應方式，對于設計高層建筑結構來說，具備和國外一致的標準和規定，計算樓層偶然偏心質量單向水平地震情況的時候，與建筑物在地震作用方向上的每層投影長度的5%息息相關。剛度計算公式如下：Ki=Vi/△Ui

其中Vi是第i層剪力，Ui是第i層層間位移。

2.1.3 平面強度偏心 平面應變以及平面應力都與簡化空間模型理念息息相關。平面應變就是說在同一平面內進行所有應變；平面應力是說在同一平面內所有應力。常見的兩種偏心問題就是平面剛度偏心和平面質量偏心，在實際設計高層建筑結構的時候，經常會忽視強度偏心的影響，在設計過程中，鋼構件、鋼筋使用型號、混凝土的配置都具備一定不確定性，因此，會促使設計結構強度與實際強度之間具備一定差距，從而使得設計結構強度的時候出現偏心，工作人員很難有效控制結構強度，因此在施工中不能忽視平面強度偏心[3]。

2.2 豎向不規則結構種類 在實際設計高層建筑結構的時候，會經常出現一些豎向不規則結構，例如，設計高層建筑過程中，采用上下粗、中間細的形式，上述結構形式會在一定程度上提高或者增強樓層承載力，如果不能全面分析豎向不規則結構，會極大程度影響建筑整體設計效果，豎向不規則設計結構主要包括側向剛度不規則、樓層承載力突變、不連續豎向抗側力三方面。

3 高層建筑結構設計中不規則性的應用

依據相關研究可以發現，當建筑結構遭受到地震等自然災害的過程中，相比較同類型建筑結構中，存在平面不規則性建筑設計結構更容易被破壞，并且上述建筑還存在相對比較薄弱的抗扭轉剛度、剛度偏心、質量偏心等問題，需要進一步分析和研究建筑設計不規則結構。高層建筑不規則結構中，最嚴重的破壞方式就是扭矩效應。在實際設計結構和實施建筑結構的時候，扭轉效應對于高層建筑來說具備極大影響，應該及時采取有效解決措施，可以最大限度限制使用不規則平面結構設計高層建筑，能夠在一定程度上降低過大偏心問題，從而能夠及時的降低扭轉效應影響高層建筑設計的效果，并且適當增加建筑設計的扭轉剛度，促使不會因為具備比較弱的強度二提高扭轉效應，在分析判斷高層建筑扭轉效應的過程中，對比法分析依據以平動為主的第一自轉周期及以扭轉為主的第一自振周期，如果存在相似的數值，在振動耦連影響前提下，會極大程度影響設計高層建筑的扭轉效應。盡可能降低扭轉作用，從以下方面分析解決措施：

3.1 高層建筑結構設計中降低相對偏心距 經過大量實踐可以發現，設計高層建筑不規則結構的時候，相對偏心距和扭轉效應存在一定線性關系。想要有效降低設計高層建筑不規則結構的扭轉效應，并且盡可能縮小樓層位移比，應該合理調整布置建筑的平面結構，保證能夠具備更加類似的剛心位置和構架質心。實際建筑施工過程中，初步計算分析剛度結構，合理調整不符合規范的不規則建筑結構平面設計，依據初步計算結果可以有效確定設計建筑結構的剛心和質心。有機結合以往經驗和相關資料數據，來準確分析和判斷設計建筑結構的剛度，在比較原理質心的位置，適當提高或者降低構件抗側力[4]。

3.2 高層建筑結構設計中合理調整扭轉剛度和抗側剛度 在設計高層建筑結構的時候，結構周期和扭轉效應之間具備一定線性關系，所以，在實際設計高層建筑不規則結構的過程中，應該盡可能降低周期。設計剪力墻結構的時候，需要適當增加剪力墻厚度，特別是遠離結構剛心為指導強力墻更應該給予一定關注，合理增加設計的扭轉剛度，能夠有效降低設計結構扭轉周期，在結構邊緣附近設置一定的拉梁或者提高拉梁剛度[5]。

3.3 增加建筑附近抗扭構件的抗剪力 在存在很強震動的影響下，如果僅僅只是依靠調整和改變結構布置形式是不能完全符合規范的，設計建筑結構的時候需要保持縱橫安全性，經過大量實踐表明，在非彈性時期設計高層建筑的時候，會在一定程度上遭受到水平方向震動影響，由于不斷改變形態，對稱建筑結構會形成相應偏心，所以，應該不斷提高和強化設計建筑結構的抗剪性能，保證在強烈震動基礎上能夠具備整體彈性的高層建筑設計結構，以便于保證擁有良好的抗震性[6]。

3.4 設置防震縫 在設計高層不規則建筑形式的時候，經常會應用一些復雜架構的平面形狀，因為受到實際情況的影響，不能合理設置成規則的平面建筑結構，因此，利用防震縫來有效的把建筑結構變為交單的結構單元。在高層家建筑設計中應用不規則結構的時候，防震縫具備一定作用和意義。如果存在不同體系結構的兩側防震縫、不同應用的地震反應效應，需要依據實際寬度來合理設計防震縫。如果出現沉降比較大的相鄰基礎結構，防震縫能夠被當做沉降縫[7]。

3.5 實際應用 北京商務中心的中央電視臺大樓，基本支柱結構是兩棟傾斜的大樓，懸空180m的位置向外延伸10m，形成正面O型側面S型的結構。主要應用多種不規則菱形漁網狀金屬腳手架，163m以上部分主要形成L形式懸臂，主樓雙向內側存在6°的傾斜，利用諸多不規則幾何圖形構成玻璃幕墻，促使此建筑技術含量高、結構新穎、造型獨特。

4 結束語

總之，依據實際案例存在十分復雜的造型結構，進一步分析特殊問題，從而達到提高結構受力性能和抗震性能，布置高層建筑整體結構的時候，盡可能降低薄弱環節，從設計不規則結構基本現狀出發，建立符合中國特色的建筑結構。

參考文獻：

[1]姜海鳳.關于高層建筑結構設計不規則性的研究和應用[J].江西建材，2015（7）：55-55，60.

[2]范文彬，唐明忠.高層建筑結構設計不規則性的研究與應用[J].建筑設計管理，2014（6）：72-74.

[3]辛紅軍.高層建筑結構設計不規則性的研究與應用[J].科技資訊，2012（11）：69.

[4]周建軍.高層建筑結構設計不規則性的研究與應用[J].低碳世界，2015（22）：198-199.

[5]許曉冬.高層建筑結構設計不規則性的研究與應用[J].科學與財富，2014（8）：391.

[6]張秋榮.高層建筑結構設計不規則形的研究與應用[J].科技致富向導，2013（21）：309.

[7]楊偉濤.高層建筑結構設計不規則性的研究與應用[J].建材與裝飾，2013（30）：23-24.