高層建筑結構設計不規則性的研究和應用

李祖維

（廣州市番禺城市建筑設計院有限公司 廣東省廣州 511400）

1 現代化建筑中不規則建筑結構的特點和現狀

1.1 不規則建筑結構的特點

隨著國民對建筑物個性化要求不斷提高，現代建筑結構中不規則建筑逐漸增加。其中最為常見的有平面不規則和豎向不規則，兩種不規則形式的特點各不相同。

1.1.1 平面不規則性

平面不規則可分為扭轉不規則、凹凸不規則以及樓板局部不連續三種形式。由于建筑平面要求，凹凸不規則和樓板局部不連續往往是固有特性，以凹凸度和樓板尺寸作為不規則的判定標準[1]。近年來扭轉不規則的建筑數量較多，即樓層最大彈性水平位移大于該層平均水平位移的1.2倍，結構師需盡量通過計算調整避免扭轉不規則。

1.1.2 豎向不規則性

豎向不規則類型的可以分為四種：側向剛度不規則、豎向抗側力不規則、質量突變、承載力突變。四種豎向不規則類型分別對建筑剛度、抗側力、樓層質量和樓層承載力進行判斷。由于現代建筑對底部大空間使用要求較高，轉換結構成為一種常見結構形式。以國外某中央銀行大廈為例，結構形式為帶轉換層的框架-核心筒結構，其中上部的64根柱子是通過托柱轉換，由10根框支柱轉換，就是典型的豎向抗側力構件不連續，同時亦存在樓層承載力突變。必須通過嚴格計算并采用相應的加強措施，以保證結構的抗震性能滿足設計要求。

1.2 不規則建筑的發展現狀

隨著中國城市化步伐加快，城市的建筑水平不斷提高，越來越多的建筑設計師在進行建筑設計的過程中，加入了創新的設計理念，采用了更加新穎的建筑體型和建筑平面。因而不對稱、不規則的高層建筑的數量不斷涌現，建筑結構日益復雜。大眾對豐富多樣的高層建筑帶來的視覺沖擊贊嘆不已，但是對結構抗震性能的重視程度卻相對滯后。不規則建筑與體型規則的建筑相比，抗震性能較為脆弱，若不采取有效的抗震設計，在發生強烈地震時，將會有可能給人們帶來嚴重的生命威脅。因此必須要從根本上提高不規則建筑的抗震能力，在保證建筑美觀的同時，提高結構承載力，從而推動國家建筑行業的全面發展。

2 提高不規則高層建筑抗震性能的主要措施

2.1 減小高層建筑中相對偏心距

想要從根本上提高不規則高層建筑的抗側力性能，除了要確定具體的參數標準和評價標準之外，還要根據不規則高層建筑的主要特點，針對其中的薄弱位置采取合理的設計，彌補不規則建筑的主要缺陷，提高不規則建筑的抗側剛度。首先是相對偏心距。在質心與剛心位置偏差較大時，結構位移比往往較大，在強震作用下，可能導致角部的剪力墻破壞。通過對豎向構件的合理布置，減小偏心率，有利于彌補結構不規則帶來的結構抗震能力的削弱，保證結構的安全和穩定。以世界著名建筑設計師貝聿銘為例，在全面展開設計工作之前，首先對備選的建筑方案進行結構試算，根據具體的參數數值，對建筑的平面和立面體型進行科學合理的調整，從建筑方案設計的源頭上避免出現偏心率較大的方案，使建筑既美觀又安全。

2.2 提高高層建筑結構抗側、抗扭剛度

提高建筑結構的抗側剛度，特別是薄弱層的抗側移剛度，有助于改善結構抗水平力的性能，在保證周期比滿足規范要求的前提下，適當加強樓電梯間剛度，對電梯井采用全混凝土筒體，可以減小凹凸不規則及樓板不連續帶來的樓板削弱，在樓層內有效傳遞水平力。同時應加強結構抗扭剛度，可以在建筑外圍增加剪力墻或者做成高連梁，使得結構扭轉在較高振型出現扭轉，較好滿足周期比要求。以作者設計的某雅居樂設計項目，建筑體型為風車形，核心區域為樓電梯間，存在樓板凹凸不規則、樓板局部不連續兩項不規則項。最后通過設置全混凝土電梯井及周邊窗臺梁上翻加高的形式，達到了很好的效果，獲得了甲方高度肯定。

2.3 對超限不規則建筑進行抗震超限審查

由于建筑使用功能要求，當采用不規則建筑變成不可避免時，則結構師在設計過程中，需要對結構的不規則項進行定性、定量判斷，針對不規則項進行驗算及采用加強措施。結構是否超限可以由住建部下發文件《建質[2015]67號》判定。在小震作用下補充彈性時程分析，根據彈性時程分析結果調整傳統CQC法的樓層剪力，并補充設防地震及罕遇地震作用下的彈塑性分析。彈塑性地震分析有靜力彈塑性及動力彈塑性（彈塑性時程分析方法）等方法，設計時應根據建筑高度、結構不規則程度及結構自震周期等選擇合適的方法。以作者設計的番禺祈福新邨某高度為170m的超高層建筑為例，由于樓高超過B級建筑高度限值，并且存在多項不規則項，設計中我們采用了小震下的彈性時程分析，中震及大震采用了等效彈性分析，并且對樓板應力進行驗算，最終通過了超限高層抗震專項審查。

2.4 科學增加高層建筑防震縫

在實際的建筑工程設計過程中，設計人員經常需要面對平面較為復雜的高層建筑體型，由于不規則建筑的抗震性能差，震害較大，可以通過設置定量的防震縫，將不規則建筑劃分為多個體型規則的抗震單元，以保證工程的整體抗震安全性。比如，可以利用防震縫將組合型平面分成規則、簡單的獨立空間，從而有效減輕了地震可能造成的碰撞，降低了出現房屋破壞的情況。同時，可以根據建筑中不利一側的結構，來設計防震縫的具體寬度，如果發現兩個距離較近的建筑的結構基礎沉降值較大，就可以將防震縫兼作沉降縫使用。

3 總結

經濟發展必然帶來全新的建筑設計理念，在創新發展多類型建筑結構的同時，對結構不規則的設計驗算應得到有效保證。提高這些不規則建筑抗震性能，可通過減小建筑的相對偏心距、調整結構剛度及對超限建筑進行超限審查等方法，從而在保證建筑外部美觀的同時，提高建筑本身的結構強度，保障人們的生命和財產安全。

參考文獻

[1]王海波.高層建筑結構設計不規則性的研究與應用分析[J].價值工程，2016，35（7）：107～108.