王慧宇

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展與城市化進程的加快，人們對于建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計要求也越來越高，這在一定程度上給我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提出了挑戰(zhàn)。現(xiàn)代建筑設(shè)計中，不僅豐富了建筑形態(tài)，也增加了建筑功能，當(dāng)前不規(guī)則性在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中占據(jù)越來越多比重。鑒于此，文章對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)則性的研究進行了分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;不規(guī)則性

引言

經(jīng)濟的快速發(fā)展不僅提升了人們的生活水平，也給建筑行業(yè)帶來了更多的要求和挑戰(zhàn)，雖然對建筑業(yè)的發(fā)展有著重要的促進作用，但是也使其產(chǎn)生了許多問題。現(xiàn)代社會的建筑行業(yè)正逐步向著高層結(jié)構(gòu)與個性設(shè)計的方向發(fā)展，其中建筑整體的不規(guī)則性體現(xiàn)最為明顯，這對建筑結(jié)構(gòu)性能的要求便直接提高了。因此需要對建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性進行深入的研究和探討。

一、高層不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的特點

高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的形式比較多，當(dāng)前較為常見的有平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則兩種形式，這兩種形式的特點也有所不同。

（一）平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型。①扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則是指建筑每層的最大彈性水平位移都要比樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2 倍大，判斷標(biāo)準(zhǔn)是在單向偶然偏心地震作用下的位移比大于1.2 倍，甚至超過1.5 倍。②凹凸不規(guī)則。凹凸不規(guī)則的判斷標(biāo)準(zhǔn)是建筑結(jié)構(gòu)平面凹進一側(cè)的尺寸超過其投影方向總尺寸30%。③樓板局部的不連續(xù)。樓板局部是指建筑結(jié)構(gòu)的樓板尺寸和平面剛度變大，較為常見的樓板局部不連續(xù)主要有樓板開洞面積大于樓面面積的30%，樓板有效寬度大于典型寬度的50%。對于一些比較不規(guī)則的樓板，可能會出現(xiàn)樓板最小有效寬度小于2m 或者有效凈寬度大于5m 的情況。

平面不規(guī)則會造成建筑結(jié)構(gòu)的平面剛度偏心、平面強度偏心以及平面質(zhì)量偏心，給建筑施工造成一定的難度，同時會影響建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

（二）豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型。①側(cè)向剛度不規(guī)則。側(cè)向剛度不規(guī)則是指建筑除了頂層以外，整個建筑的每一層側(cè)向剛度值都要小于相鄰上一層的側(cè)向剛度的70%;還小于該樓層以上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%;每一層局部收進的水平方向尺寸都要大于相鄰下一層水平尺寸的25%。②豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)主要是指建筑的豎向構(gòu)件縮進大于25% 或者外挑大于4m 和10%，上下墻“柱”支撐不連續(xù)，其主要判斷依據(jù)是豎直方向上的抗側(cè)力構(gòu)件內(nèi)力可以通過水平轉(zhuǎn)換為構(gòu)件向下傳遞。③樓層承載力突變。這種不規(guī)則是指建筑結(jié)構(gòu)相鄰層的受剪承載力變化大于80%。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)則性的優(yōu)勢

（一）提升建筑外觀美觀度

不規(guī)則性建筑最突出的優(yōu)勢是美觀度提升，這也是大量不規(guī)則設(shè)計高層建筑能夠成為地區(qū)標(biāo)志性建筑物的核心原因。如美國紐約的希爾頓酒店大廈，作為全球知名的大型企業(yè)，希爾頓大廈在設(shè)計上充分體現(xiàn)變革精神，以不規(guī)則性的設(shè)計彰顯大廈個性，將與眾不同的建筑風(fēng)格呈現(xiàn)出來，與周圍眾多呆板建筑形成對比，美感度得到了明顯提升。迪拜帆船酒店、中國鳥巢體育中心、加拿大瑪麗蓮夢露大廈等也具有類似的特點，外觀美感度的提升也可以看做是不規(guī)則性建筑設(shè)計的主要發(fā)展趨勢。

（二）提升建筑抗震能力

建筑抗震能力提升一直以來為業(yè)界所重視，提升抗震能力的關(guān)鍵是強化建筑的受力性能，避免地震來臨時的拉應(yīng)力、扭力造成快速破壞，不規(guī)則性設(shè)計可以使建筑相關(guān)能力得到提升，較為典型的是日本建筑。日本高層建筑在設(shè)計時，會根據(jù)地區(qū)具體情況使結(jié)構(gòu)帶有不規(guī)則性，如在建筑距頂部2/3 處增加一些非對稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，非對稱結(jié)構(gòu)可以首先承擔(dān)部分扭力和拉應(yīng)力，避免建筑中部快速破損，使人員擁有更多的逃生機會。此外，意大利、西班牙、希臘等國也在提升自身建筑水平，通過優(yōu)化抗扭構(gòu)件設(shè)計的方式改善建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，設(shè)計大量帶有不規(guī)則性外觀結(jié)構(gòu)的建筑，提升了建筑的實用價值。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則性的應(yīng)用

當(dāng)高層建筑受到地震以及自然因素的沖擊時，不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)相對容易被破壞，同時不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)還存在剛度偏心、質(zhì)量偏心等問題，這就需要對高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行進一步的研究。對于高層不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)，扭矩效應(yīng)是最為嚴(yán)重的破壞方式。因此，要盡量采取有效措施，盡可能降低扭轉(zhuǎn)作用。

（一） 有效減少建筑物結(jié)構(gòu)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(tài)下的建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與相對偏心距呈線性關(guān)系，改善建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)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(jié)構(gòu)偏心率，可以調(diào)整建筑外觀的平面布置，改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件特性，調(diào)整原則為剛心和結(jié)構(gòu)質(zhì)心盡量接近，從而改善建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。這就要求設(shè)計人員了解建筑所在地區(qū)地震發(fā)生的情況和破壞水平，再計算建筑剛心和質(zhì)心的偏心距，以保證承重結(jié)構(gòu)性能為前提條件，酌情增加質(zhì)心較遠的剪力墻，減少質(zhì)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。

（二）對建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)與抗扭剛度比進行合理糾正

在進行高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)周期與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)為線性關(guān)系，因此，在進行高層建筑工程結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計過程中，應(yīng)該盡量縮短周期。在進行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)該注意適當(dāng)增加剪力墻厚度，適當(dāng)增加扭轉(zhuǎn)剛度，縮短結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期。

（三） 對不規(guī)則性高層建筑周邊抗扭構(gòu)件抗剪力進行有效增強

根據(jù)對高層建筑不規(guī)則性結(jié)構(gòu)設(shè)計進行科學(xué)合理的研究，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)和普通結(jié)構(gòu)進行比較，不規(guī)則性建筑的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)構(gòu)設(shè)計過程當(dāng)中，想要有效增加不規(guī)則建筑的抗震性能就必須選擇較為合適的結(jié)構(gòu)體系，至于其穩(wěn)定性保證方面，就一定要想辦法提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗扭構(gòu)件的抗剪能力。

（四）合理增強高層主體結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件的抗剪強度

想要達到更好的結(jié)構(gòu)分布效果不僅僅要在主體結(jié)構(gòu)的調(diào)整上下功夫，如果出現(xiàn)了較大的外力作用，建筑的主體結(jié)構(gòu)就會發(fā)生非常嚴(yán)重的破壞，相關(guān)人員的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，高層建筑如果經(jīng)常受到額外的外力影響，如果發(fā)生了嚴(yán)重的自然災(zāi)害或者是外力破壞現(xiàn)象就會導(dǎo)致建筑變形或者是偏心嚴(yán)重等問題，在這樣的情況下就要更好地保證建筑的抗震性能要達到一定的標(biāo)準(zhǔn)，要加強邊緣構(gòu)件的強度，這樣即使在建筑結(jié)構(gòu)受到很大的外力作用時也能很好地保證建筑能夠安全的發(fā)揮自身的功能。

（五） 科學(xué)增加高層建筑防震縫

在實際的建設(shè)過程中，結(jié)構(gòu)工程師往往會碰見空間與平面形體繁雜的高層建筑圖紙，在多種因素的制約下，很難將這種繁雜結(jié)構(gòu)設(shè)計成有規(guī)則性的整體，這就需要依靠建立一些防震縫來保證工程項目的質(zhì)量。在建立防震縫的時候，應(yīng)該注意以下兩點內(nèi)容：第一，如果建立防震縫兩側(cè)的設(shè)施并不相同或者對地震的抗力不同，就應(yīng)該按照不利一側(cè)結(jié)構(gòu)進行建立。第二，如果出現(xiàn)臨近建筑沉降超出限值的情況，就應(yīng)該建立沉降的防震縫。

四、結(jié)束語

不規(guī)則設(shè)計在現(xiàn)代建筑中越發(fā)多見，在具備現(xiàn)代藝術(shù)感的同時也提升了建筑性能，包括抗震、抗風(fēng)等。結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外建筑情況，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的不規(guī)則性可以進一步發(fā)展更廣泛地應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，應(yīng)注意抗扭構(gòu)件設(shè)計、結(jié)構(gòu)周期比、結(jié)構(gòu)相對偏心距等，確保建筑美觀實用。

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