高層建筑結構設計不規則性的研究和應用

梁晟昊

摘要：社會的不斷進步于無形之中促進了諸多企業的健康發展，其中給建筑行業帶來的影響最為明顯。伴隨著當前城市土地的開發與利用，為了土地資源得以高效節約的使用，高層建筑工程數量正在不斷增加，并且使用不規則結構的工程數量也直線上升。所以本人對其不規則結構的現狀在此進行簡要分析，并提出與之相關的結構設計措施。

關鍵詞：高層建筑;結構設計;不規則性;應用

1、工程概述

某項目共23層，建筑面積為12477.3m2，總高度為70.08m，商業廣場部分設計在地上1～3層，層高為3.6m，4層以上為住宅，層高3m，為框架-剪力墻結構。因工程的屬性是平面和豎向均不規則，所以應用的剪力墻布置不僅要能夠提升建筑的抗扭性能，還要能增強結構的整體穩定性，同時需在建筑結構設計中較薄弱的位置，增加抗震措施。

2、現代化建筑中不規則建筑結構的特點和現狀

2.1不規則建筑結構的特點

隨著國民對建筑物個性化要求的不斷提高，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。

2.1.1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。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，結構師需盡量通過抗剪構件的調整來避免扭轉不規則。

2.1.2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。

2.2不規則建筑的發展現狀

隨著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。體型不規則的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，提高結構的抗震承載力，從而推動國家建筑行業的全面發展。

3、關于高層建筑不規則性結構設計的相關策略

據相關資料顯示，不規則性結構高層建筑很容易受到地震破壞，并且隨著進一步研究發現，扭轉效應給高層建筑造成的危害非常大，因此在具體工程當中必須要對建筑的扭轉效應進行科學的分析，通過墻、柱等主要受力構件的布置加以控制，使不規則高層建筑的結構設計更加合理。

3.1有效減少建筑物結構偏心距離

在此前研究人員的實驗中，偏心距對抗震的影響進一步得到證明，總體來看，理想狀態下的建筑扭轉效應與相對偏心距呈現線性關系，改善建筑的扭轉效應可以提升對樓層位移的控制能力，降低地震時的瞬時破壞作用。減小結構偏心率，可以調整建筑外觀的平面布置，改變結構構件特性，調整原則為剛心和結構質心盡量接近，從而改善建筑的扭轉效應。這就要求設計人員了解建筑所在地區地震發生的情況和破壞水平，再計算建筑剛心和質心的偏心距，以保證承重結構性能為前提條件，酌情增加質心較遠的剪力墻，減少質心較近的剪力墻、且盡量對稱布置，從而保證較小的偏心以及較大的抗扭性能。

3.2對建筑結構抗側與抗扭剛度比進行合理糾正

在進行高層建筑工程結構設計過程中，結構周期與扭轉效應為線性關系，因此，在進行高層建筑工程結構不規則設計過程中，應該盡量縮短周期。在進行框架剪力墻結構設計過程中，應該注意適當增加剪力墻厚度，適當增加扭轉剛度，縮短結構扭轉周期。

3.3對不規則性高層建筑周邊抗扭構件抗剪力進行有效增強

根據對高層建筑不規則性結構設計進行科學合理的研究，發現該結構和普通結構進行比較，不規則性建筑的整體結構穩定性和抗震性能都無法得到良好的保證。因此在高層建筑結構設計過程當中，想要有效增加不規則建筑的抗震性能就必須要選擇較為合適的結構體系，至于其穩定性保證方面，就一定要想辦法提升高層建筑結構設計中抗扭構件的抗剪能力。

3.4有效加強抗震設置

因為不規則性高層建筑的使用功能往往具備一定的復雜性，致使建筑平面形成不規則的建筑布局，所以在實際設計當中采取平面不規則結構設計模式，而高層建筑結構設計，因為其本身的特殊性，就一定要對抗震縫進行合理運用，從而使不規則性的平面行成較為規則的結構，同時對高層建筑不規則結構抗震縫的有效設計，還能夠在一定意義上使建筑結構穩定性得以增加。基于此種情況，為了能夠保證高層建筑結構不規則性結構設計得廣大民眾的認可，相關人員在設計時就必須要從事實角度出發，對高層建筑設計不規則性結構的具體情況進行透徹分析，從而得出科學的結構設計，保證建筑工程質量可以得到有效提升。

3.5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差距較大，防震縫也可以兼作沉降縫使用。

3.6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。通過對某高度為170m的超高層建筑的超限審查要點的學習，其建筑高度超過B級建筑高度限值，并且存在多項不規則項，設計者在設計中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，最終這座不規則建筑通過了超限高層抗震專項審查。

結束語

目前，國內高層建筑結構設計不規則通常有：建筑物結構自身平面不規則、縱向體型收進不規則。建筑結構設計中，豎向體型和建筑平面的不規則會導致很多問題，所以憑借合理的對空間地面應用，對高層建筑結構的相對偏心距進行調整、對高層建筑結構抗側剛度進行合理改進、進一步提升高層建筑結構周邊的抗扭轉構件的抗剪力、完善防震縫等措施，均可最大限度的減小因建筑結構設計的不規則所帶來的消極影響。

參考文獻：

[1]何禮達.論不規則性在高層建筑結構設計中的運用[J].河南科技，2017（14）：30-30.

[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，2017（6）：72-74.