高層建筑不規則結構設計研究

李非非 王超級 周興衛

【摘要】在現代建筑發展體系中，高層建筑的發展比較迅速和重要，其穩固性更加得到設計人員的重視。因而在對其進行設計時，設計人員應從提高結構穩固度這一角度出發改善設計方案。基于存在的大量多頭形凹凸不規則平面、A級高度住宅剪力墻結構的研究，從復雜體型超限高層建筑結構的界定出發，探討扭轉效應與平動周期、扭轉周期比、位移比等參數的控制問題。本文就主要對建筑工程不規則結構設計的相關問題進行了簡要分析。

【關鍵詞】高層建筑;不規則;結構;設計

1、導言

近20年來，我國高層建筑工程的建設數量大幅增加，尤其是A級高度的高層居住建筑的數量劇增，居世界前列。由于建筑使用功能、土地利用率、美觀等要求導致建筑平面不規則、使得建筑結構更加復雜化。從構建科學合理的不規則建筑信息模型入手，設計出不規則建筑平面各設備的數據模型，優化建筑數字化平面設計的數據結構，對線路進行設計，深入研究不規則建筑平面設計中各種關聯設計方法，提高不規則建筑專業的設計效率、質量、水平。

2、不規則建筑造型數字化平面設計

設計的不規則建筑造型數字化平面主要功能包括不規則建筑設計相關信息的收集、分類、加工以及輸出，四位一體的數字化平面設計需要科學合理的不規則建筑信息模型。以此為基礎，能夠保證不規則建筑專業數據庫的建立，進一步實現不規則建筑的平面關聯約束設計。

3、高層建筑不規則結構的具體形式

3.1豎向不規則結構

豎向不規則在高層建筑不規則結構中較為常見，具體包括側向剛度不規則結構、層間質量劇變結構和樓層承載力突變結構三種。側向剛度不規則結構又可細分為兩種情況，第一是結構樓層側向剛度小于相鄰上一層的側向剛度，且減少的范圍約為70%。第二種情況為除頂層之外的其他樓層的局部收進水平與相鄰下一層之間存在差值，且一般上一層超出相鄰下一層25%;層間質量劇變結構是指高層建筑的某個建筑構造中的相鄰樓層之間的質量差值，一般下一層樓比相鄰樓層質量小1.5倍左右;樓層承載力突變結構則強調的是不同樓層之間的承載力差值，且樓層承載力從上至下依次遞減。

3.2平面不規則結構

平面不規則結構主要包括樓板不連續、凹凸不規則和扭轉不規則三類。樓板不連續主要體現在開洞后每一邊的凈寬長度的變化值，一般以2m為界，且小于臨界值;而凹凸不規則具體指的是樓層平面結構形狀的不規則;最后是扭轉不規則，該類不規則形式也較為常見，且與層間位移密切相關，因而也會直接影響建筑的穩固程度。

4、高層建筑不規則結構設計

4.1錯層設計

由于錯層結構樓板不連續，應對錯層結構兩側各按一個標準層輸入進行結構的整體計算和配筋計算。需要特別指出的是現有的結構計算軟件，可將錯層的樓層按一個樓層輸入，通過調整節點高度或構件的高度來達到錯層的布置，軟件處理時并不能發現問題，但是計算結果卻很不合理，對采用如此方法建模的錯層結構，應注意核查其合理性。另外，計算軟件不能區分真實樓層和計算樓層，所以軟件輸出的計算位移比不能直接采用，應根據軟件輸出的位移，手工計算復核位移比。

（1）錯層處的框架柱截面高度不應小于600mm，混凝土強度等級不應低于C30，箍筋應全長加密，且應該滿足短柱的體積配箍率。抗震等級應提高一級。（2）錯層處的剪力墻厚度抗震時不應小于250mm，并應設置與其垂直的墻肢或扶壁柱，抗震等級應提高一級。混凝土強度等級不應低于C30，應加大水平和豎向分布鋼筋的配筋率。（3）若錯層處的框架柱和剪力墻不能滿足設計要求時，可在框架柱和剪力墻內設置型鋼，增強框架柱和剪力墻的延性。

4.2防震縫的合理設置

在進行具體設計時，設計人員應合理的設置抗震縫。高層建筑的實際平面結構一般較為復雜，在進行設計時，要針對不規則結構進行處理，并設置恰當的抗震結構，留置合理的抗震縫。在具體設置時，設計人員可以對平面結構進行分區，使其形成較為簡單的結構單元。而在具體設置抗震縫的過程中，工程人員也需要關注抗震縫兩側的結構體系，若結構體系不一致，則要以較為不利的抗震場景為基準進行抗震縫的優化設計，可以對寬度進行收窄或擴寬，同時還可以結合相鄰建筑結構的基礎沉降情況合理的設置沉降縫。

4.3豎向體型收進的具體處理

某建筑工程由于有商業建筑和住宅區的區分，因而在4層商業建筑以上，結構平面就出現了收進現象，具體的體型收進高度和收進后的平面寬度分別為11.1m和12.7m，基本達到建筑總高度的17%與下部樓層對應寬度的49%。而上述比值已經接近于高規第3.5.5條對應的20%和75%的限值，因而可以將該結構判定為豎向不規則結構。針對豎向不規則結構，設計人員在進行處理時，應關注抗震增強設計。基于此，應針對結構薄弱層，以多遇地震作用標準值為基準，以該值的剪力乘以1.25的增大系數。而在進行具體的結構設計時，設計人員則要保持上部收進樓層和相鄰下部樓層對應的剪力墻和框架柱的截面尺寸不出現變化，并且要使混凝土等級達到強度要求，由此可以保證使兩個樓層間的抗側移剛度和承載力處于較小的差值范圍內。在具體的抗震不屈服設計活動中，設計人員應從提高建筑結構塑性角度出發進行設計，并對地震影響系數進行預估，在彈性時程分析法下進行補充計算，提高抗震設計精準度。

4.4提升周邊抗扭構件的抗剪力

高層建筑的設計人員在優化不規則結構的設計體系時，應做好對周邊抗扭構件抗剪力的提升設計。設計人員要結合前沿的結構理論，即建筑結構一旦處于非彈性狀態，當出現地震時，結構會受到雙向的水平地震作用力的沖擊，由此會出現重心的變化，進而導致結構失穩。基于此，設計人員需要注重抗扭構件這一細節，要能夠結合抗震性能的具體要求，采取恰當的措施增加抗扭構件的抗剪力，從而提升建筑結構的整體抗震彈性值。

結語：

綜上所述，建筑結構的錯層變化豐富，層次感非常強，錯層結構是運用廣泛的一種結構。在具體設計時，應針對實際的工程案例進行不規則結構的分析，找出需要進行不規則設計的部位，有針對性的開展設計工作，確保高層建筑不規則結構的豎向、橫向結構穩固，同時也要彰顯出良好的抗震性能，不斷提升高層建筑整體效益。

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