高層建筑結構設計不規則性的研究與應用

劉紹鵬

（沈陽新大陸建筑設計有限公司，遼寧 沈陽 110000）

在現代建筑設計中，已經突破了傳統建筑中所要求的規則性與對稱性，更多新穎的建筑形式得到了應用，不規則性建筑便是其中的一種。

一、高層建筑不規則結構的類型

立足于結構類型而言，建筑結構設計不規則種類主要分為兩種類型，即平面不規則類型和豎向不規則類型。其中平面不規則類型主要包括：建筑結構的樓板連續性的缺乏、凹凸不規則、建筑平面結構的不規則扭轉等結構種類；而豎向不規則種類則包含：樓層承載力突變、豎向抗側力構件不規則、側向剛度不規則等結構類型。

（一）平面不規則的類型

高層建筑平面結構的不規則行主要體現在樓板局部不連續、凹凸不規則、扭轉不規則等方面。首先，樓板結構連續性的缺乏主要原因是因為建筑結構的平面和樓板面積出現的劇烈變化導致的。其次，不規則的凹凸在借助建筑結構的投影尺寸上得以體現，同時其平面結構凹進的面積在30%以上。最后平面不規則扭轉主要是立足于每層樓房結構的兩端存在的彈性水平位移量展開判斷，若是樓層結構的水平位移量在平均值的1.2 倍以上，那么建筑樓層結構就會發生不規則扭轉。

（二）豎向不規則的類型

第一，側向剛度的不規則，衡量措施是該流程的側向剛度值在挨著上層樓層的70%以內；其次，豎直方向結構抗側列位置沒有連貫性，衡量措施是結構受力是通過水平設施展開輸送的；再者，樓層的承載力有明顯的改變，它的衡量措施是層間抗側力結構的受剪程度在一層中；最后，樓層間的重力改變特別明顯，它的衡量措施是樓層重量超過下層1.5 倍。

高層建筑結構設計不規則的使用依靠研究人員的研究得出，在出現地震的情況時，平面分布不均勻是建筑結構破壞得最厲害的區域，在全部結構的重點和剛度作用偏差很大或者扭轉剛度太小的結構也有十分強烈的損毀。通過研究分析可知，扭轉作用和地震造成的水平晃動豎直作用相比，其對建筑有著更嚴重的損毀作用，這就需要有關的設計人員在對高層建筑結構展開設計時，要大力控制主體結構的扭轉效應，能夠挑選以下方式控制扭轉效應：第一點，最大化保持平面和空間上的對稱性，確保其的分布規章性，避免較大偏心作用的出現，從而將主體結構的扭轉效應科學減少。其次，在建筑結構有效的范圍內，把建筑扭轉剛度值大小的最大化提升，提升扭轉作用下的抵抗能力。

二、平面不規則高層建筑結構設計要點

（一）平面不規則性的定義

GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016 年版）規定的建筑平面不規則類型主要分為3 種：1.規定水平力作用下，樓層最大彈性水平位移（或層間位移），超過1.2 倍樓層兩端彈性水平位移（或層間位移）均值；2.建筑平面凹進尺寸超過0.3 倍相應投影方向總尺寸；3）主要表現為樓板尺寸、剛度出現急劇變化。

（二）平面不規則高層建筑結構設計要點

1.全面分析建筑項目概況、場地條件、設防標準以及規則性，根據規范對其不規則程度進行超限判別；2.根據項目綜合分析結果進行結構方案選型、平面布置；3.借助各種計算軟件開展結構整體計算分析，包括：用振型分解反應譜法分析多遇地震工況下的性能、開展罕遇地震下的彈塑性分析、進行樓板的應力分析工作，由此充分了解建筑抗震性能，找出薄弱環節，落實加強措施，實現建筑結構抗震目標。

三、高層建筑不規則結構設計的策略

當前，隨著高層建筑的迅速發展，國內外諸多業內學者紛紛開展了對高層建筑的深層次研究，其中也包括對高層建筑不規則結構設計的研究。經分析發現，當地震發生之后，高層建筑初選結構破壞的問題，很多時候都是由于建筑結構本身的不規則性所造成的。進一步研究還發現，扭轉效應是導致建筑結構遭受損壞的最主要因素。由此可見，在高層建筑不規則結構設計過程中，必須要重點控制好不規則結構的扭轉效應。以下就介紹幾種控制不規則結構的扭轉效應的策略。

（一）提高抗扭剛度與抗側剛度

為了有效控制好不規則結構的扭轉效應，在設計過程中可以根據實際情況提高建筑結構的抗扭剛度與抗側剛度。通過對高層建筑不規則結構進行深入分析不難發現，高層建筑主體結構出現自我振動周期的扭轉情況與平方值應當要具備線性函數關系。因此，在高層建筑不規則結構設計中，應當要盡可能地減少建筑自我振動時間，從而降低高層建筑主體結構的扭轉效應。在分析高層建筑的剪刀墻結構之時，可以通過改變墻體大小以及在實際操作過程中根據主體結構邊緣處柱梁的實際情況進行適當調整，從而減少高層建筑主體結構的自我振動周期、控制其扭轉效應。另外，通過適當提高邊緣梁值，也可以起到調整抗扭剛度與抗側剛度的作用。

（二）降低相對偏心距

通過降低相對偏心距，可以比較有效地控制不規則結構的扭轉效應，其主要原理在于高層建筑結構的相對偏心距及其扭轉效應可呈線性函數關系。也就是說，通過減小樓體間的位移，便可以降低由主體結構扭轉效應所造成的不良影響。基于此，應當要在高層建筑不規則結構設計中適當減小結構的相對偏心距，從而改善高層建筑結構的平面、空間整體分布情況及提高結構間的穩定性與安全性。與此同時，在實際建筑施工過程中，也可以采取一些有效的措施來減小高層建筑結構的相對偏心距。為此，應當要對高層建筑的相關數據進行準確測量，然后以此為根據來制定出一套科學的相對偏心距調整方案，并在設計圖紙上明確標記相對偏心距的位置，對相關數據信息進行準確分析，這樣才能夠切實保障高層建筑不規則結構設計的科學性與合理性。

（三）增強抗剪強度

增強抗剪強度是控制不規則結構的扭轉效應的常用方法。光是通過協調主體結構分布，并不能真正有效控制不規則結構的扭轉效應，一旦受到較大的外力作用，則主體結構很容易會遭到破壞。據相關研究發現，如果高層建筑長期處于非彈性階段的話，即使其結構最初是規則性的，但一旦遭受地震作用的影響，其結構也會產生偏心缺陷而轉變為不規則。因此，為了確保高層建筑主體結構的抗震性能，必須要提高主體結構邊緣構件的抗剪強度，這樣即使高層建筑整體結構遭受了巨大外力作用，也可以受到自身彈性作用而回到正常狀態。

（四）設置防震縫

在高層建筑不規則結構設計中，通過設置防震縫，可以發揮出良好的控制扭轉效應的作用。一般來說，高層建筑不規則結構設計中常會應用到一些結構比較復雜的平面形狀，而由于受到現實因素限制，往往無法合理設置規則的平面結構，對此，只有采取設置防震縫的方法，才能夠有效將建筑結構轉變為簡單結構單元。需注意，對于不同體系結構的兩側、不同作用的地震效應，應當要根據實際情況來合理確定防震縫的寬度。另外，若相鄰結構的沉降較大的話，也可以利用防震縫來發揮沉降縫的作用。

四、結束語

在目前的很多大中城市中，我們可以看到越來越多的高層和超高層建筑體，不僅如此，這些建筑體在結構和構造上也在逐漸趨于不規則形態，這類高層不規則建筑已經越來越普遍。這樣的建筑體在滿足人們視覺需求及對于個性化的追求的同時，在結構設計和實施上也提出了更高要求。結構設計師要從項目的實際情況出發，結合一些關鍵問題利用技術手段尋求突破，讓高層不規則建筑的性能得到發揮，同時，讓其穩定性和抗震性也得到有效保障。