建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不規(guī)則性問題研究

摘要：建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性將會對整個工程項(xiàng)目產(chǎn)生直接影響。在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，比較常見的問題就是結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，不規(guī)則性問題將會對工程質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此，本文主要對在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的不規(guī)則性因素進(jìn)行探討，希望能夠給相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供一些思考和借鑒。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);不規(guī)則性;偏心距

近年來，傳統(tǒng)的建筑形式將不再能夠滿足人們的審美需求，不規(guī)則的建筑形狀大量出現(xiàn)在人們的視野之中。建筑形狀的另類化，將會在很大程度上使城市更具有風(fēng)采，但是不規(guī)則建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也是有難度的，要有效地確保建筑多樣化的發(fā)展，需要相關(guān)人員進(jìn)行切實(shí)地探索。

1 不規(guī)則性定義

1.1 平面不規(guī)則性

平面不規(guī)則性主要指建筑平面的凹凸尺寸較大、彈性層間位移比值較大和樓板局部不連續(xù)。其中，彈性層間位移比指的是樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移的最大值與平均值的比值，樓板局部不連續(xù)指的是有效樓板寬度較小或樓層大面積開洞等^[1]。

1.2 豎向不規(guī)則性

豎向不規(guī)則性是指建筑的豎向上結(jié)構(gòu)所具有的不規(guī)則性，包括側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)以及樓層承載力突變。側(cè)向剛度不規(guī)則性主要指該層的側(cè)向剛度產(chǎn)生突變或局部收進(jìn)尺寸較大。豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)指柱、墻的內(nèi)力通過水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件向下傳遞。樓層承載力突變是指通過計(jì)算分析整個建筑的受力情況抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力與上下樓層比較明顯減小。

2 不規(guī)則性問題分析

2.1 偏心距的問題

偏心距是指建筑平面質(zhì)心與形心之間的距離。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，偏心距大小與建筑平面形狀的規(guī)則程度有著直接聯(lián)系。建筑平面形狀的不規(guī)則會在很大程度上導(dǎo)致建筑平面質(zhì)心與形心遠(yuǎn)離，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的出現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)師在解決結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性問題時，可以通過對扭轉(zhuǎn)的控制來進(jìn)行。要想使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)得到良好的控制，本質(zhì)上要解決建筑結(jié)構(gòu)偏心距過大的問題。這就需要設(shè)計(jì)師要對于偏心距問題的高度重視。在方案設(shè)計(jì)階段，要充分比較分析整個建筑結(jié)構(gòu)的平面布局，通過計(jì)算使得偏心距盡可能的減小，進(jìn)而將位移比等控制在規(guī)范允許的范圍以內(nèi)，從而很大程度上降低整個建筑結(jié)構(gòu)自身發(fā)生扭轉(zhuǎn)的不利作用。

2.2 抗扭剛度的問題

通過工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，關(guān)鍵是限值結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期的比值。當(dāng)兩者接近時，由于振動耦聯(lián)的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。基于這一情況，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時要著重對周期比進(jìn)行把控，使周期比不易過大，同時適當(dāng)增加建筑平面外圈的結(jié)構(gòu)剛度，使整個建筑結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力能夠得到最大程度上的保障。

3 不規(guī)則性問題解決方案

3.1 偏心距的控制

研究發(fā)現(xiàn)，建筑物的扭轉(zhuǎn)程度和偏心距大小之間的是有必然聯(lián)系的。兩者之間的關(guān)系可以通過線性函數(shù)進(jìn)行表示。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師要使建筑平面質(zhì)心與形心盡量重合，減小偏心距所產(chǎn)生的影響。例如在實(shí)際工程中，通過計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行精細(xì)的建筑物受力情況分析，使計(jì)算結(jié)果盡可能的接近實(shí)際工況，并確定結(jié)構(gòu)平面質(zhì)心和形心，通過控制樓板平面形狀、合理分配建筑荷載、調(diào)整豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置形式等，對于偏心距進(jìn)行不斷地微調(diào)，找到最佳結(jié)構(gòu)布置方案，將偏心距控制在合理范圍內(nèi)，能夠有效避免扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的出現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)受力更加均勻，滿足整體設(shè)計(jì)的需求。

3.2 強(qiáng)化抗側(cè)與抗扭剛度

3.2.1 強(qiáng)化抗扭能力

在建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的抗扭能力具有重要的地位。基于建筑結(jié)構(gòu)震害調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形往往是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞的原因。很多因素都可能會造成結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形的出現(xiàn)。因此，結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要對于可能造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形的因素進(jìn)行綜合把控，其中最重要的就是提高結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)能力。建筑平面和立面簡單、對稱， 減少平面和立面中過大的凹和凸， 平面中少開大洞， 避免啞鈴型平面，結(jié)構(gòu)布置均勻?qū)ΨQ，同時使水平抗側(cè)力構(gòu)件和結(jié)構(gòu)剛心的距離盡量遠(yuǎn)些。這些都是提高建筑結(jié)構(gòu)抗扭承載力的有效措施^[2]。

3.2.2 提升抗側(cè)剛度

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，提高建筑物的抗側(cè)剛度和整體性是有助于解決建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性問題的^[3]。針對具體工程選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件宜沿建筑物全高通長布置，平面中宜合理布置水平抗側(cè)力構(gòu)件，并遵循均勻、對稱、分散的原則，布置合適剛度的樓屋蓋體系，選擇合理的結(jié)構(gòu)材料，有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和整體性。

3.3 抗震能力分析

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)可分為整體設(shè)計(jì)和構(gòu)件設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。由于現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)，采取的是一種近似的方法，因而在抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)該將協(xié)調(diào)工作的原則放到首位。整體設(shè)計(jì)更注重協(xié)同工作的重要性，使各個構(gòu)件達(dá)到極好的協(xié)調(diào)工作的狀態(tài)，因而整體設(shè)計(jì)在工程設(shè)計(jì)過程中起到主導(dǎo)作用。同時構(gòu)件設(shè)計(jì)如果不合理， 也會直接影響到建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。根據(jù)實(shí)際工程的計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)如果采用性能化設(shè)計(jì)的方法，可以分別按“高延性，低彈性承載力”或“低延性，高彈性承載力”的抗震設(shè)計(jì)思路來進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。通過合理的構(gòu)件設(shè)計(jì)和整體抗震分析可以實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修和大震不倒”性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力。

4 結(jié)語

隨著新穎建筑的不斷出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性愈發(fā)凸顯，這就需要結(jié)構(gòu)工程師切實(shí)提高自身的設(shè)計(jì)水平，對不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入研究，促進(jìn)我國建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的不斷完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50011-2010（2016年版）建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社2016

[2]呂曉祥.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則性問題探究[J].建材與裝飾，2017（51）：81-82.

[3]黃遠(yuǎn)強(qiáng).建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性問題的分析[J].綠色環(huán)保建材，2017（08）：39.

作者簡介：晉哲鋒（1978-），男，安徽肥東人，合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，研究生，工學(xué)碩士，高級工程師。專業(yè)方向：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震。