高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不規(guī)則問題與抗震方法

葉博文

中國聯(lián)合工程有限公司 浙江 杭州 310051

高層建筑因其空間利用率高、視野好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中。然而，隨著建筑高度的增加和結(jié)構(gòu)形狀的復(fù)雜化，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨著許多挑戰(zhàn)。其中，不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計是主要問題之一。不規(guī)則結(jié)構(gòu)可能會引起扭轉(zhuǎn)力較大、設(shè)計不合理以及結(jié)構(gòu)高度引起的問題；因此，如何有效地解決不規(guī)則結(jié)構(gòu)和抗震設(shè)計問題，以提高建筑的穩(wěn)定性和安全性，是當前建筑工程領(lǐng)域的一個重要研究方向。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特征

1.1 水平方向不規(guī)則性

高層建筑水平方向不規(guī)則設(shè)計是因為更注重功能與美感導(dǎo)致的，在平面布局、體量分布與外墻形式上呈現(xiàn)出顯著的非均勻化特征[1]。有數(shù)據(jù)顯示，近幾年，該設(shè)計方法在世界上所占的比重已超過了35%。按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016版）（以下簡述《抗規(guī)》）如表1，平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型主要有：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)、凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)和樓板部分不連續(xù)結(jié)構(gòu)等。

表1 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分類

1.1.1 不規(guī)則結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計

在水平方向不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計中，建筑物的橫向尺度有很大的差異。比如，一些建筑物隨著層數(shù)的增多，其每層的面積都會逐步減少，從而形成了特殊的塔狀結(jié)構(gòu)。一些高層建筑在不同樓層之間存在著顯著的樓層差異，從而使空間呈現(xiàn)出不同的層次感；這些都要按照特定的用途和要求來進行[2]。

1.1.2 不規(guī)則結(jié)構(gòu)規(guī)范的考慮

在水平方向不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、功能以及建筑的美感是建筑師與結(jié)構(gòu)工程人員進行設(shè)計時所要考慮的主要因素。為了確保建筑物的安全性，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是第一要點。為此，設(shè)計人員需對不規(guī)則結(jié)構(gòu)的受力特性進行分析，以保證不規(guī)則結(jié)構(gòu)符合有關(guān)安全規(guī)范。此外，還應(yīng)考慮到建筑的功能性與審美觀。比如，建筑物的平面布置要滿足功能性，建筑物的外觀造型要符合美學。

1.1.3 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的實施情況

在水平方向不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還必須符合某些技術(shù)條件。為了使結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果滿足規(guī)范要求，采用使用高強建材和精密施工工藝，從而確保建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。有資料表明，在此類房屋中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造的難度通常要比常規(guī)房屋高20%-30%。

1.2 豎向不規(guī)則性

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對不規(guī)則結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是豎向方向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。為了符合使用功能、環(huán)境條件、視覺效果等多方面的要求，一些建筑體型在高度分布、空間布局和形態(tài)等方面都有不同程度的變化。近年來，在我國新建的高層住宅中，垂直非規(guī)則的建筑物所占比重已超過30%[3]。按《抗規(guī)》表2將豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型劃分為：側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)、豎向抗側(cè)構(gòu)件不連續(xù)結(jié)構(gòu)和樓層承載力突變結(jié)構(gòu)等。

表2 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分類

圖1 豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)

2 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題

國內(nèi)外歷次大地震的震害研究表明，在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計中，平面形狀不規(guī)則、剛度與質(zhì)量偏斜以及扭轉(zhuǎn)剛度過低等都會造成較大的震害。

2.1 扭轉(zhuǎn)較大

在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計中，扭轉(zhuǎn)過大是一個突出的問題。首先，過大的扭矩會使得結(jié)構(gòu)的承載能力超出設(shè)計極限，進而引起結(jié)構(gòu)的變形，嚴重時甚至出現(xiàn)失效。其次，扭振也會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動力反應(yīng)。例如，扭轉(zhuǎn)會誘發(fā)或加劇建筑中的“諧振”，使其產(chǎn)生強烈的振動，從而嚴重影響建筑的安全與服役壽命[4]。然后，扭力也會對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，又如，當受到一定的荷載組合作用時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變形或不穩(wěn)定。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)高度的問題

隨著建筑高度的增大，對結(jié)構(gòu)的強度及穩(wěn)定性能的要求也隨之增大。由于高層建筑的高度越來越高，在風、地震等動力載荷的影響下，其自身重量、內(nèi)力、位移都將越來越大，若不能對其進行合理的設(shè)計，將會引起結(jié)構(gòu)的過度變形；因此，需要對建筑結(jié)構(gòu)高度問題加以重視。

隨著建筑高度的不斷增大，建筑的風荷載也隨之增大。在高層建筑中，由于其承受較強的風壓力，會引起較大的側(cè)向位移、振動等，從而對結(jié)構(gòu)的服役性能及安全產(chǎn)生不利影響。另外，由于風荷載的存在，高層建筑在風荷載作用下會產(chǎn)生復(fù)雜的動力反應(yīng)，如旋渦振動、顫振等，若不進行合理的設(shè)計，將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效[5]。

3 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

3.1 控制高層建筑結(jié)構(gòu)偏心距比例

根據(jù)工程實際情況分析，偏心率與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力呈線性關(guān)系，需進行調(diào)節(jié)，逐漸減小非規(guī)則結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；盡量減小間距[6]。根據(jù)各層的變形比的減小，對建筑物的平面結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，達到了對框架的合理操縱。根據(jù)不同的建筑物的剛度等級來比較分析，并與建筑物的構(gòu)造相結(jié)合，精確判定，逐步提高建筑物的穩(wěn)定性；力求改善建筑物的抗側(cè)性能。

3.2 合理調(diào)整抗側(cè)強度及扭曲剛度

經(jīng)大量研究與調(diào)查可知，隨著振動周期的改變，會對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來明顯的影響。以上述理論為基礎(chǔ)，出于優(yōu)化高層建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的，可將振動周期作為切入點進行分析，采用改變振動周期的方式來緩解扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。通過對建筑物偏心率進行合理的線性關(guān)系測量，調(diào)節(jié)在扭轉(zhuǎn)應(yīng)變作用下的變化關(guān)系。運用一系列的設(shè)計運算，對非規(guī)則建筑物的結(jié)構(gòu)周期進行調(diào)節(jié)。依據(jù)抗震規(guī)范，突出關(guān)鍵改善點，強化結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，強化結(jié)構(gòu)抗扭剛度分配[7]。

比如在對剪力墻進行設(shè)計時，應(yīng)選擇合適的墻體厚度與長度，這對中心間距較大的墻體而言顯得更為重要。常見的方式有：在結(jié)構(gòu)邊緣增設(shè)梁、柱等結(jié)構(gòu)，以改善結(jié)構(gòu)抗扭強度，縮減振動周期。此外，還可對邊緣連續(xù)梁的剛度進行調(diào)整，優(yōu)化扭曲剛度。就理論層面而言，基于提升連續(xù)梁抗剪能力的方式可有效增強結(jié)構(gòu)的性能；從實際操作層面考慮，則需合理加大剪力墻連梁的截面寬度[8]?；谝陨戏椒ǎ瑢τ诩袅B梁結(jié)構(gòu)的整體剛度也可發(fā)揮出積極效果，能夠確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計措施

4.1 平面樓板不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震措施

在平面樓板布局上，應(yīng)盡量做到簡潔、規(guī)整，避免剛度、質(zhì)量、承載力等方面的無序分布，避免使用無序布局。高層建筑豎向體型宜整體均勻，避免過度外挑與內(nèi)凹，抗側(cè)剛度宜下部增大，上部減小，并逐步均勻化;上述內(nèi)容為建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計中應(yīng)注意的問題。

在高層建筑工程中，對不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)給予足夠的重視。由于平面樓板的不規(guī)則性，使得建筑在地震作用下會發(fā)生較為復(fù)雜的動力反應(yīng)，從而加大了結(jié)構(gòu)失效的風險。因此，如何設(shè)計合理的抗震措施，是一項非常重要的研究課題。

(1)結(jié)構(gòu)的重心及剛度重心的確定。由于質(zhì)心與剛性心的偏心率對結(jié)構(gòu)抗扭反應(yīng)有較大的影響。例如，對于L型的平板，其質(zhì)心與剛性心都會發(fā)生偏移，從而使其產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)；為了減小偏心率，應(yīng)采取調(diào)整結(jié)構(gòu)布局、增大剛度等措施[9]。

(2)地震作用下，地震作用路徑的設(shè)計應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)的動力性能。在通過有限元分析等方法，確定結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，從而確定主要的抗震路徑[10]。例如，對復(fù)雜的、不規(guī)則的結(jié)構(gòu)來說，可以通過改變結(jié)構(gòu)的布局，或者增加剛度，使其具有更加有利于地震的自振頻率和振型。

(3)結(jié)構(gòu)的耗能性能必須得到充分的考慮。在強震下，建筑結(jié)構(gòu)必須具有較強的消能性能，以降低強震對結(jié)構(gòu)的損傷。提高結(jié)構(gòu)的延性，可以采用高延性鋼材和增加桿件的塑性鉸。

(4)結(jié)構(gòu)的連貫性與整體性是必須要考慮的。一個完整、連續(xù)的框架結(jié)構(gòu)，能夠為其提供多種地震反應(yīng)途徑，從而增強其抗震性能。在此基礎(chǔ)上，可以通過設(shè)計連續(xù)的梁柱系統(tǒng)、增強結(jié)構(gòu)節(jié)點的剛度和強度等方法來實現(xiàn)。

(5)對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進行了詳盡的分析，并對其進行了抗震性能評價。這可以通過時間歷程或響應(yīng)譜分析，來確定結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、速度、加速度等響應(yīng)。例如，一些比較復(fù)雜的、不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，那么就必須要借助一些比較先進的有限元軟件，對其進行三維動力反應(yīng)分析。

4.2 綜合選擇相對適合的建筑場地

在選擇建設(shè)地點時，應(yīng)充分考慮地形特征。按照《抗規(guī)》3.3.1條的規(guī)定，對抗震有利區(qū)、一般區(qū)、不利區(qū)和危險區(qū)按照工程需求、地震活動規(guī)律、工程地質(zhì)、地震地質(zhì)等方面的相關(guān)數(shù)據(jù)分析，進行綜合評定[11]。對于不利于施工的地區(qū)，應(yīng)當作出避讓的規(guī)定。在不能避免的情況下，必須采取相應(yīng)的解決措施。在危險區(qū)域內(nèi)，禁止建設(shè)甲級和乙級建筑物，丙級建筑物也不允許。

4.3 建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點建立隔震裝置

(1)關(guān)鍵節(jié)點的定位。關(guān)鍵點應(yīng)選取在結(jié)構(gòu)剛性大或應(yīng)力大的部位。減震措施可設(shè)置在梁柱節(jié)點、地下室頂板等部位。另外，要考慮建筑物的不規(guī)則形狀，如 L型、 T型等；為了對結(jié)構(gòu)的扭力反應(yīng)進行有效的控制，可以在結(jié)構(gòu)的拐角上布置一些關(guān)鍵節(jié)點。

(2)隔振器的剛度、阻尼和沖程等參數(shù)的設(shè)計。要根據(jù)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，如自振頻率、阻尼比、振型等，以及地震的輸入特性，如地震強度、頻率內(nèi)容等，來進行設(shè)計。為了減少結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)，隔震裝置應(yīng)具有小的剛性。隔震設(shè)備應(yīng)具有更大的減震效果，以減少地震的能量。隔震設(shè)備的移動距離應(yīng)足以承受地震產(chǎn)生的位移量。

(3)對其結(jié)構(gòu)進行分析與驗證。其主要內(nèi)容有靜態(tài)分析、動態(tài)分析、穩(wěn)定分析等。通過靜力分析，可以對其受風、自重等靜載荷作用下的工作特性進行檢驗。對該結(jié)構(gòu)進行動態(tài)分析，能夠?qū)ζ湓诘卣鹱饔孟碌谋憩F(xiàn)進行檢驗。

通過穩(wěn)定分析，可以對不同工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行驗證。所以，設(shè)計人員需要使用有限元分析或其他的結(jié)構(gòu)分析方法，來獲得諸如位移、應(yīng)力、穩(wěn)定系數(shù)等特定的數(shù)據(jù)，之后再對這些數(shù)據(jù)進行評價與對比，來驗證該隔震裝置的設(shè)計是否合理。

4.4 優(yōu)化建筑抗震設(shè)計思路

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要對建筑物的密度和穩(wěn)定性進行優(yōu)化。在建筑抗震設(shè)計中，注重建筑物的高度和面積的標準配置。在此基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)的自重模型進行修正，并做了相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)計，使其盡量避免在軟弱土層和地下水區(qū)。改善建筑物的受力平衡，增強主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在地震作用下，對地震作用下的建筑結(jié)構(gòu)進行合理分析；根據(jù)工程實際情況，對工程周圍環(huán)境、地質(zhì)變化、條件模式等展開詳細周密的勘探分析，并綜合考慮有效的設(shè)計調(diào)控措施和標準。

5 總結(jié)

綜上所述，進行建筑工程不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須按照地震作用下的概念設(shè)計，確定建筑物外形的規(guī)律性。對不規(guī)則的建筑物，按照規(guī)范進行加固處理。對于特殊形狀的建筑物，需要進行專項調(diào)查、論證，并采取適當?shù)募庸檀胧?，嚴重不?guī)則的建筑不應(yīng)采用。期望藉由以上之探討，能對高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定之借鑒與啟迪，并有助于設(shè)計人員對不規(guī)則結(jié)構(gòu)認識與處理。