高層建筑結構設計不規則性的研究與應用

郜志遠 袁海梅

（中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南長沙 410006）

引言

在高層建筑設計中，要充分考慮建筑的抗震性、抗扭轉性等強度保障因素，但是對于建筑結構的不規則性來說，這些因素往往更難實施，所以在結構設計的過程中，需要對這些因素進行合理設計，保證建筑的強度能夠滿足相關要求。另外在不規則性建筑的設計中，要在保證建筑結構科學性的基礎上進行設計，讓建筑的強度能夠滿足強度要求。

1 高層建筑結構設計不規則性的概念和發展現狀

1.1 高層建筑結構設計不規則性概念和特點

高層建筑結構設計的不規則性除了指代建筑結構在外形上的不規則性，還指代在建筑在設計和施工中產生的能夠影響建筑結構強度的不規則性因素，在建筑行業當前的發展中，這種不規則性表現為平面不規則性和豎向不規則性，這兩種不規則性有不同的特點，具體分析內容如下：①平面不規則性。平面不規則性可細分為凹凸不規則性、扭轉不規則性和樓板局部不連續性三種方式，在當前的建筑行業發展中，扭轉不規則性的建筑數量較多，另外兩種不規則性作為建筑設計和施工的固有屬性，對建筑的影響較小，所以在具體的設計中，需要盡量消除建筑中產生的扭轉不規則性[1]。②豎向不規則性。對于高層建筑來說，在設計和施工過程中更容易產生豎向不規則性，這種性質的產生會導致建筑在豎向抗側力、豎向剛度等方面的強度不能滿足安全運行要求，所以在當前的建筑行業中，已經廣泛采取一些通用手段消除這種不規則性[2]。

1.2 高層建筑結構設計不規則性在我國的發展現狀

在我夠當前的建筑行業中，承建的各類不規則外形的建筑數量大幅提高，這種建筑雖然代表著我國的建筑行業獲得大幅完善以及技術提升，但是在這種建筑的施工設計和施工過程中，對建筑本身的抗震性等參數關注度不足，相較于規則外形的建筑來說，這類建筑的抗震能力普遍較低。在這種建筑今后的結構設計過程中，需要采取合理措施提升建筑的整體強度，另外在建筑的結構設計過程中，也需要能夠充分應用各類新型技術，最終讓我國的基建技術能夠充分提高[3]。

2 高層建筑結構設計不規則性需要重點關注的內容

通過上文的分析可以發現，高層建筑結構設計不規則性包括平面不規則性和豎向不規則性，另外通過對發展現狀的研究可以發現，這類不規則建筑在抗震能力上通常存在缺失，所以在這類建筑的結構設計中，主要需要關注的內容為建筑的抗震性能。對于建筑的抗震能力來說，降低該性能的因素主要包括以下方面：①偏心距方面。當建筑結構的偏心距提高時，整個建筑結構在地震過程中更容易發生扭轉，這種現象將大幅降低建筑的抗震能力，所以在建筑結構設計中需要對偏心距進行合理設計。②抗側和抗扭轉剛度比。在建筑的運行過程中，當建筑的抗側剛度和抗扭轉剛度較低時，建筑在地震過程中更容易遭到破壞，所以需要提高建筑這兩個因素的強度。另外在建筑的設計中，還需要考慮建筑的震動周期，提高建筑的抗震能力。③建筑的抗剪力設計。在建筑的運行中，地震環境下建筑發生一定程度上的彈性形變能夠降低地震的破壞程度，但是在系統運行中，在建筑設計中，需要考慮相關構建的抗剪力，從而讓建筑能夠提高彈性性能，保證建筑的結構穩定。

3 高層建筑結構設計不規則性的消除

3.1 相對偏心距設計

在不規則建筑的設計中，相對偏心距是影響建筑強度的一個最重要因素，在當前的研究中，已經發現當相對偏心距提高時，建筑的扭轉效應也會加大，這兩個參數在一定范圍內呈現線性相關關系。而當建筑發生扭轉效應時，建筑的承力性能會發生大幅下降，所以在建筑的結構設計中，需要降低建筑中產生的偏心距。在具體的建筑設計中，首先要了解建筑的用途以及布局，對于不規則高層建筑來說，建筑布局會對整個建筑的強度中心和重心產生很大影響，而通過對建筑布局的了解能夠了解建筑的重心與強度中心位置，為后續的建筑結構科學設計打下基礎。其次為對這些因素進行合理標注，在建筑圖紙草圖上對這些因素進行標注后，能夠在后續的設計中對相關因素進行科學調整，從而降低整個建筑結構中產生的偏心距。最后為對建筑的結構進行優化，該過程的主要工作為對建筑現有的布局進行適當調整，同時在該過程的設計中，由于已經對剛度中心進行了標注，可以根據系統中產生的剛度中心對相關系統和構件進行加固，以充分降低建筑中產生的偏心距。

3.2 構件抗剪強度設計

在高層不規則建筑的抗震設計中，需要保證建筑本身具備一定的彈性變形能力，并且在地震后建筑能夠恢復原有的運行狀態，所以在具體的建筑結構設計過程中，需要對構件的抗剪強度進行合理設計。通常情況下，能夠提供彈性變形的主要為建筑中的鋼筋結構，但是在建筑的運行中，也需要保證這些結構有很高的抗剪強度，保證建筑能夠安全穩定運行。當前針對建筑設計的這一要求，已經開發出了一些新型技術，例如建筑鋼架結構強度，已經開發出了碗扣結構，這種結構的原理圖，如圖1所示。

圖1 碗扣結構示意圖

在這種結構應用中，建筑中的鋼筋和鋼管本身支持產生一定的彈性變形，滿足建筑在地震發生過程中能夠產生一定量的彈性變形，同時碗扣結構也能夠避免在鋼架變形的過程中產生脫扣、鋼筋離散等問題，保證整個鋼架系統能夠對建筑產生穩定的支撐作用。另外對于不規則建筑中的各類子系統，也可以廣泛應用這種結構提高鋼筋之間的固結效果，最大限度保證建筑的整體強度。

3.3 抗側剛度和抗扭剛度比值確定

在當前的研究中，發現建筑的周期與建筑的抗側強度存在一定的比例關系，即抗側強度與建筑的周期平方成反比關系，通過該關系可以發現，要保證高層級建筑有較高的抗側強度，在建筑的結構設計中需要將低建筑的周期。要滿足這一要求，在建筑的結構設計中可以對建筑的墻體進行加厚處理，同時提高剪力墻的長度，以達到提升不規則高層建筑的抗側剛度要求，同時在加長剪力墻的過程中，也能夠達到提升建筑抗扭剛度的效果。需要注意的是，在這種方式的應用過程中，需要深入考慮加強墻體厚度和長度對建筑重量、剛度中心位置等方面的影響，為了保證高層不規則性建筑在結構上的科學性與合理性，在該過程中需要做好結構與各類剛度參數間的協調工作。另外在該過程的設計中，為了進一步提升建筑的強度，還可以在相關部位設置拉梁，通常情況下這些拉梁將設置在建筑的結構邊緣，從根本上提升建筑的抗扭能力，另外這種方式也能夠降低建筑的抗扭周期，提高建筑的抗震能力。在具體的結構設計中，需要按照相關要求和規定對拉梁的布設長度、布設位置、布設位置等參數進行確定，保證拉梁能夠發揮應有作用。

3.4 底層樓板和玻璃幕墻的抗震設計

3.4.1 底層樓板抗震設計

在高層建筑的抗震設計中，需要建筑物在經歷地震后能夠自主恢復，這就要求在建筑的設計過程中要對地基進行科學配置，同時應用新型技術讓整個建筑的承力性能不發生改變。在當前的技術研發中，已經設計出了一套針對底層底板變形的系統，該系統的主體內容為隔震縫，在該系統中會設置伸縮縫框架，該框架一端與建筑的外墻連接，另一面應用大吸力磁鐵與整個地板框架進行連接。在該系統的運行中，整個系統能夠充分發揮吸收地震能量的目的，并且在地震發生后能夠通過磁鐵產生的吸力讓整個系統恢復，保證建筑在結構上的完整性。另外對于一些建筑下擁有涵洞的結構，要保證建筑的各類樁體與涵洞中的箱體結構柱平齊，以實現對整個建筑的有效支撐。

3.4.2 玻璃幕墻抗震設計

在地震發生過程中，玻璃幕墻脫落容易引發各類次生災害，所以在隔震設計中，也需要提升玻璃幕墻的抗震能力，另外在建筑恢復的過程中，這些玻璃幕墻也需要能夠進行恢復。在當前的技術應用中，已經能夠滿足對玻璃幕墻抗震能力的有效提升。例如在烏魯木齊機場的設計中，就采用了可伸縮框架技術，在該項技術的應用中，大量應用電磁鐵連接玻璃與建筑的整體框架，保證玻璃幕墻能夠隨著建筑變形而發生變化的同時，也具備很高的強度。需要注意的是，在玻璃幕墻抗震設計的過程中，還需要重視幕墻的保溫隔熱性能。

3.5 其余提升方式

對于不規則性建筑來說，為了進一步提高建筑的整體強度，通常還需要采取各類輔助設施提供建筑的結構強度，其中最具代表性的為在系統中設置隔震縫。在隔震縫的設計過程中，需要根據建筑所在區域的地質情況確定抗震等級，另外在不規則建筑的結構設計中，往往還涉及玻璃幕墻等結構的大量應用，所以在隔震縫的設計過程中，隔震縫涉及幕墻隔震縫、樓板隔震縫、地面隔震縫等多個方面，另外在當前的技術研發中，也已經能夠在地基建設中設置隔震層，隔震層中主要發揮作用的隔震支座。當前的隔震支座已經有了多種形式，如圖2所示為一種隔震支座的原理圖。

圖2 隔震支座原理圖

在隔震支座的設置中，需要起到對整個建筑的有效支撐作用，所以在系統的應用中，需要按照建筑的中心進行隔震支座的合理配置，通常情況下在地基中要全面鋪設，實現對建筑的有效支撐。

而對于建筑中的隔震縫，要按照地震強度進行隔震縫參數設計和計算，另外對于不規則建筑中需要進行連接的區域，隔震縫的尺寸要適當擴大，以烏魯木齊機場為例，最終設計的隔震縫尺寸如圖3所示。

圖3 烏魯木齊機場隔震縫分配圖

在該圖中，1200mm隔震縫為機場交通中心和航站樓連接處的隔震縫尺寸，其余區域為航站樓或交通中心按照地震強度設計的隔震縫尺寸。

4 結論

綜上所述，高層建筑結構設計的不規則性會對整個系統的穩定性造成一定影響，并且相較于規則建筑，不規則建筑通常抗震性能較差，需要能夠充分提升系統的抗震能力。在具體設計中，可采取降低相對偏心率和建筑震動周期達成目的，同時也需要應用相關輔助措施，全面提升高層建筑的抗震能力。