高層建筑結構設計中不規則問題與抗震策略研究

摘""要：高層建筑結構設計帶有較高的專業性、規范性要求，對抗震方面能力的要求也較高，這使相關設計中的不規則問題得到關注。以高層建筑結構設計中的不規則問題及其危害為切入點，在此基礎上從抗震角度出發，探討應對不規則問題的具體策略，包括控制關鍵參數、加強模擬分析等。最后通過模擬實驗對上述理論進行輔助說明，為后續高層建筑抗震設計有關工作提供參考。

關鍵詞：高層建筑""結構設計""不規則問題""抗震策略

中圖分類號：TU973

Research"on"Irregular"Problems"and"Seismic"Strategies"in"the"Design"of"High-Rise"Building"Structures

WU"Han

Sinopec"Petroleum"Engineering"Design"Co.，"Ltd.，"Dongying，"Shandong"Province，"257000"China

Abstract："The"structural"design"of"high-rise"buildings"has"high"professional"and"normative"requirements，"as"well"as"high"requirements"for"seismic"resistance，"which"makes"the"irregularities"in"related"designs"get"attention."Starting"from"the"irregular"problems"and"their"hazards"in"the"design"of"high-rise"building"structures，"this"papernbsp;explores"specific"strategies"for"addressing"irregular"problems"from"the"perspective"of"seismic"resistance，"including"controlling"key"parameters"and"strengthening"simulation"analysis."Finally，"the"above"theory"is"supplemented"by"simulation"experiments"to"provide"reference"for"subsequent"seismic"design"work"of"high-rise"buildings.

Key"Words："High-rise"buildings;"Structural"design;"Irregular"issues;"Seismic"strategy

高層建筑結構設計中不規則項并非質量問題，是指建筑各部分的非標準、非對稱或非規則結構，這些設計可能基于美觀目的，也可能基于提升空間使用效應的意圖，但多會影響結構安全性、穩定性，需要加以關注，包括建筑整體的抗震要求在內。從地理特點上看，我國受到環太平洋火山地震帶、地中海-喜馬拉雅火山地震帶影響，地震的發生率較高，這也客觀要求重視建筑抗震設計[1]。在此背景下，分析高層建筑結構設計中不規則問題與抗震策略，具有一定積極價值。

1""高層建筑結構設計中的不規則問題及其危害

1.1""高層建筑結構設計中的不規則問題

高層建筑結構設計中的不規則問題可分為多種，包括?扭轉不規則、?局部收進和凸出、?樓層承載力突變、?豎向抗側力構件不連續貫通等。這些問題的表現各有不同，且對高層建筑的影響也存在一定差異[2]。

扭轉不規則，是指高層建筑某些結構的扭轉位移比超過規定值的情況，水平方向的作用力超過預期，在某個方向過于突出，出現較嚴重的扭轉，以致建筑整體穩定性出現波動，當出現地震時，來自垂直方向（包括地下地震波以及建筑自重）的作用力改變建筑的受力態勢，導致?扭轉不規則問題的影響瞬時快速加劇，出現建筑倒塌、局部垮塌等問題。根據現有研究，扭轉不規則的需要考慮位移情況，即樓層兩端抗側力構件的彈性水平位移、層間位移極限值與平均值的差異，差異過大可判定存在扭轉不規則問題[3]。

?局部收進和凸出在高層建筑中并不少見，但其中大部分為対稱式設計，如果收進和凸出不對稱，或超出固定比例標準，也可視作高層建筑結構不規則。如上層樓層水平尺寸小于下部樓層水平尺寸，且低于后者尺寸的75%，屬于較嚴重的局部收進；外挑部分過大、長度超過4"m，屬于高層建筑結構不規則。其他形式的高層建筑結構不規則問題表現上也具有一定特點，對建筑安全、穩定的影響值得關注[4]。

1.2""相關問題的危害

高層建筑結構設計中的不規則問題，主要產生兩個方面的破壞：一是降低建筑的抗震能力；二增加運維有關支出。

建筑各處的不規則問題均直接影響其傳力、導力，當這種影響的等級不高、幅值不大時，高層建筑的功能性、穩定性、安全性不受影響。如果建筑結構不規則的問題比較突出，可能產生安全隱患[5]。地震來臨時，受力不均勻、傳力態勢不理想的結構在外力作用下失穩，出現局部垮塌、開裂、損壞、倒塌的可能性明顯提升，不滿足“大震不倒、小震不修”的基本要求。同時，高層建筑結構不規則部分的處理難度也較高，無論在地震造成損害前或日常維修工作中，均需要投入較大精力進行問題控制，增加產權單位、用戶的精力消耗和經濟負擔，一些較嚴重的破壞甚至需要局部重建，經濟壓力較大。

2""高層建筑結構設計中不規則部分的抗震策略

2.1""控制關鍵參數

2.1.1""位移比控制

位移比主要發生在高層建筑層間區域，是相關建筑不規則問題的多見形式之一，會顯著削弱建筑抗震能力，導致上層結構失穩、塌落的可能性很高。該問題的控制以兩層建筑水平位移參數為中心，要求該樓層兩端平均層間位移保持在合理范圍：一般樓層兩端層間位移的最大值高于平均值不得超過20%，A級高層建筑應控制該數值在50%以內，B級高層建筑應控制該數值在40%以內；在組織設計時，可以采用參數代入分析法、模擬分析法提供輔助，首先確定甲方的一般要求，之后根據建筑結構設計特點，分析樓層兩端平均層間位移值、最大位移值，在條件允許的情況下，適當提升二者比值，保持平均值接近最大值，以提升高層建筑穩定性?？蓱肧ATWE軟件輸出考慮偶然偏心影響、單雙向地震的位移比等動態參數，進一步優化位移比控制效果。

2.1.2""周期比控制

周期比是第一自振周期（以Tt表示，主要為結構扭轉）與第一自振周期（以Tl表示，主要是平行方向移動）的比值，重點控制扭轉效應。實際工作中，Tt以及T1有一定的變動可能，但建設方以及施工方出具的要求、施工方案是固定的，第一自振周期內的關鍵參數默認不變，可以利用軟件進行模擬分析，包括BIM軟件和SATWE軟件等。設計過程中，Tt取值信息確定后，分別根據A、B級不規則結構高層建筑的要求確定周期比，按照一般抗震需要，A級不規則結構高層建筑Tt與T1的比值應在0.9以下，B級不規則結構高層建筑Tt與T1的比值應在0.85以下，結構設計比較復雜的建筑，如轉換、連體、多塔等復雜高層建筑，其Tt與T1的比值也應在0.85以下，以控制扭轉效應，避免、降低地震帶來的破壞。

2.1.3""側向剛度比控制

側向剛度比即相鄰樓層間側向剛度的比值，可能從豎直、水平兩個方向影響高層建筑的抗震能力。對側向剛度比的控制，可以降低高層建筑結構豎向不規則的影響。無論A、B級不規則結構高層建筑，或設計復雜的轉換、連體、多塔等高層建筑，均應在設計階段保持各部分相鄰樓層間側向剛度的統一、穩定；當不規則問題難以控制、避免時，應對側向剛度比參數進行分析，原則上可以根據建筑的抗震要求進行計算，要求以抗震剪力固定值為基礎，以125%作為增加系數，確定側向剛度比的基礎值，確保其實際值在基礎值以下，控制相鄰樓層間側向剛度差異，減少水平方向上的地震破壞效應。

2.2""加強材料選擇與應用

高層建筑的部分不規則結構是難以避免的，在組織設計時，要求在保留相關設計的基礎上控制地震破壞。可嘗試引入彈性模量較大、自恢復能力較強的材料替代一般材料，以改善建筑的抗震能力，借助有關材料改善地下部分結構設計、優化不規則結構的抗震效果。

此前日本各地使用的金屬類復合材料、高延性混凝土等，對提升高層建筑及其不規則結構的抗震能力具有一定作用。高延性混凝土，是一種延展率較高的新型材料，在受到外力影響時，該類材料可在受力方向的對應側適度延展，避免結構受力斷裂、裂縫等一般性問題，保證受力結構的整體性，即便地震烈度較大，結構也可以保持完整，減少建筑斷裂、坍塌等嚴重事故的發生率。實際工作中，可在高層建筑結構設計中易出現不規則問題的區域使用高延性混凝土替代、部分替代常規建筑材料，提升建筑抗震能力。

地下結構的抗震設計主要發揮輔助作用，使來自震源區域的地震波能夠得到緩沖、削減，降低對建筑的整體破壞，包括不規則結構在內。在組織高層建筑結構設計過程中，發現不規則結構的設計不可避免，為控制地震破壞，可著手在不規則結構對應的地下區域進行抗震設計，也可以在建筑地下區域整體進行抗震設計，如地下緩震結構抗震，其工作簡圖如圖2所示。

根據圖2所示模式，組織高層建筑設計時，以不規則結構抗震為目標，可以在地基部位設置若干緩震裝置，包括帶有自恢復能力的金屬結構、復合類非金屬材料、改性材料等。當地震來臨時，高層建筑地下緩震裝置可以吸收地震波產生的豎直方向的動能，并通過自恢復能力加以消耗，使傳播至地表、地上建筑各處的地震波能量衰減，進而減少地震破壞。地下緩震結構主要發揮間接作用，使高層建筑以及其不規則結構的抗震效果得到綜合性提升。

2.3""以模擬技術提供輔助

高層建筑結構設計中不規則問題的影響難以根本消除，基于抗震目的，還可以應用BIM技術等進行模擬。該技術主要應用于建筑結構設計階段，服務上文所述的參數控制工作。原則上，根據早期建設要求、抗震要求以及一般建筑參數等建立BIM模型，之后通過參數代入的方式進行動靜態模擬即可。如果初次模擬結果不理想，也可以重復利用參數信息族進行二次、三次模擬，直到獲取滿意的高層建筑結構設計方案和不規則結構的抗震設計成果。

3""模擬分析

以某城市的X寫字樓為模擬對象。該建筑高107.2"m，設計共35層。因建筑功能多樣，且外觀觀感設計復雜，存在多處不規則設計，面臨抗震要求的不足。

設計單位在組織設計時，通過BIM技術、SATWE軟件等，對周期比、位移比等關鍵參數進行分析，另在地下以及地上局部區域應用了高延性混凝土，以改善抗震能力。模擬分析分為動態模式、靜態模式兩種，動態模式下，默認建筑設計方案不變，不考慮老化、人員活動等因素影響。以5.5級地震為基準，每次模擬增加0.1級強度，判斷建筑及其不規則結構是否出現破壞、分析破壞強度。靜態模擬主要考慮標準要求下（甲級標準）下，建筑是否能夠應對地震破壞。從模擬結果上看，有效控制周期比、位移比等關鍵參數，應用高延性混凝土的情況下，建筑以及其不規則結構的抗震能力合格，表明上述措施、思路具有應用層面的積極價值。

4""結論

綜上所述，高層建筑結構設計中不規則問題的影響較突出，可能導致建筑安全性波動，增加運維成本和負擔。從抗震角度出發，需要在組織高層建筑結構設計時重視兩個不規則部分特點，做好參數控制，同時從材料選取、應用角度出發尋求優化，在此基礎上結合客觀信息組織動靜態模擬，為設計、建設工作提供完善的基本方案，最后從地下結構入手，提升其抗震性能，間接應對高層建筑不規則設計帶來的影響。根據模擬實驗結果，可知上述措施具有一定的積極作用，未來工作中可嘗試應用、推廣。

參考文獻

[1]黃文勇.基于人工智能的高層房屋建筑結構抗震加固方法研究[J].中國建筑裝飾裝修，2024（14）：69-71.

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[3]王雪艷.基于性能要求的某超高層建筑抗震分析[D].濟南：山東建筑大學，2021.

[4]吳文峰.高層建筑結構設計中的不規則問題與抗震方法探究[J].江西建材，"2022（8）：110-112.

[5]劉璇，賈鴻遠.高層住宅建筑結構的抗震優化設計策略研究[J].中國設備工程，"2022（1）：123-124.