高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則形的研究與應(yīng)用

張秋榮

【摘 要】隨著社會的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們的生活水平有了顯著的提高，對于建筑物的要求也越來越高，為了使建筑物達(dá)到造型美觀的效果，往往建設(shè)出不規(guī)則的造型，然而對于這一建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)則是設(shè)計(jì)者最頭疼的問題。本文首先分析了建筑行業(yè)中不規(guī)則建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，然后簡述了建筑的不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型及其中存在的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，最后提出了相應(yīng)的解決措施。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；不規(guī)則；研究；應(yīng)用

在對建筑工程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式的過程中，由于受到各種條件的限制，建筑工程無法真正達(dá)到規(guī)則與堆成的效果。建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則形一般包括局部樓板不連續(xù)、平面出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象、剛度分布不均等多個方面。因此在建筑工程建設(shè)過程中，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，設(shè)計(jì)者必須要從正義出發(fā)，通過分析與判斷，了解整個結(jié)構(gòu)的不規(guī)則區(qū)域，在不影響其他因素的基礎(chǔ)上編制合理的布置方案，了解其中存在的薄弱環(huán)節(jié)，最終保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與經(jīng)濟(jì)性。一般來說，建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則會導(dǎo)致整個工程產(chǎn)生水平方向的偏心測力，最終使建筑出現(xiàn)變形，在維修的過程中也就增加了其工程造價(jià)。因此針對不規(guī)則性的建筑物，這記者必須要采取有效的措施，盡量保證其規(guī)則性與對稱性，提高整個建筑結(jié)構(gòu)的性能。

1.我國當(dāng)前不規(guī)則性建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

在現(xiàn)代化社會發(fā)展中，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)正以驚人的速度不斷發(fā)展著，建筑行業(yè)也在此基礎(chǔ)上不斷發(fā)展，在市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著城市化進(jìn)程的加快，人們對于建筑工程的要求也越來越高，不僅要求建筑物具有較高的質(zhì)量，還要求其造型美觀。為了滿足這一需求，設(shè)計(jì)者跳出傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)踐工作中不斷創(chuàng)新，從而建設(shè)出更多令人嘆為觀止的高層建筑物，這些建筑物具有新穎別致及象征性的特點(diǎn)，并且大多數(shù)都屬于不規(guī)則的建筑物。隨著人們生活水平的提高，城市中出現(xiàn)了更多的不規(guī)則性建筑結(jié)構(gòu)，已成為城市發(fā)展的必然趨勢。但是在對這類建筑工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程是極其復(fù)雜的過程，其在無形中加大了設(shè)計(jì)工作的難度。

2.不規(guī)則性高層建筑的結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)高層建筑工程不規(guī)則性結(jié)構(gòu)分類，我們可以將其分為兩種類型，第一種是不規(guī)則性的平面結(jié)構(gòu)，其主要包括建筑局部樓板的不連續(xù)性、平面凹凸不規(guī)則性等；第二種是不規(guī)則的豎向結(jié)構(gòu)，其主要包括豎向剛度的不規(guī)則性、承載分布不均勻性、豎向抗側(cè)力不連續(xù)性等。

2.1不規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)

（1）不規(guī)則扭轉(zhuǎn)。一般情況下，設(shè)計(jì)者會根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)每層樓兩端的彈性水平位移來判斷結(jié)構(gòu)的不規(guī)則扭轉(zhuǎn)。

（2）不規(guī)則凹凸。設(shè)計(jì)者會根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的投影方向以及尺寸中數(shù)值來判斷不規(guī)則凹凸，要求建筑結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)一側(cè)的面積不得小于30%，避免造成建筑在使用過程中變形。

（3）局部樓板的不連續(xù)性。設(shè)計(jì)者會根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的平面剛度變化以及樓板面積出現(xiàn)變化的情況來判斷高層建筑結(jié)構(gòu)局部樓板的不連續(xù)性。

2.2不規(guī)則的豎向結(jié)構(gòu)

（1）不規(guī)則傾向剛度。設(shè)計(jì)者會將周邊建筑物的上一樓層作為判斷依據(jù)對本建筑加以判斷，要求本建筑物樓層的傾向剛度值小于70%，或者不得超過本建筑物周邊三幢建筑物的平均傾向剛度數(shù)值的80%左右。

（2）豎向抗側(cè)力構(gòu)件的不連續(xù)性。在本建筑結(jié)構(gòu)的豎直方向上，要求建筑結(jié)構(gòu)中的抗側(cè)力構(gòu)件需要從水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪眰鬟f構(gòu)件。

（3）樓層承載力的不均勻分布。設(shè)計(jì)者需要將本樓層的抗側(cè)力部分的收簡歷進(jìn)行比較，要求其收件程度低于80%。

（4）樓層質(zhì)量的不均勻性。設(shè)計(jì)者需要將其與下一樓層相對比，要求本樓層在設(shè)計(jì)過程中的質(zhì)量高于下一樓層質(zhì)量的1.5倍。

3.不規(guī)則建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)對策略

由一系列相關(guān)技術(shù)研究證實(shí)：建筑物若存在較大不規(guī)則性，過大的質(zhì)量偏心或太弱的扭轉(zhuǎn)剛度在地質(zhì)災(zāi)難中均屬于易出現(xiàn)破壞、坍塌事故的建筑物。在建筑物所受到的外力破壞因素中，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)屬于特別嚴(yán)重的一種，因而在工程實(shí)踐中應(yīng)采取合理措施有效限制建筑物扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，其常用方法如下：（1）對于建筑結(jié)構(gòu)的布置，應(yīng)盡量避免其平面呈不規(guī)則狀，或加以嚴(yán)格限制，使建筑結(jié)構(gòu)在一定程度上免于出現(xiàn)偏心過大現(xiàn)象，建筑物結(jié)構(gòu)在此前提下所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)則會更大。（2）針對建筑扭轉(zhuǎn)剛度，應(yīng)在合理數(shù)值范圍內(nèi)促進(jìn)其最大化，避免其太過薄弱。第一自振周期Tc以扭轉(zhuǎn)為主，第一自振周期T1則以平動為主，而建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大致可依據(jù)Tc與T1兩者的比值來判定，當(dāng)Tc與T1兩者數(shù)值相對較為接近時，在振動耦連狀效應(yīng)的影響下，建筑物扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會產(chǎn)生較為明顯的增幅。以下是若干降低建筑物扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的方法。

3.1采取有效措施減小建筑物相對偏心距

在某種程度上，建筑物相對偏心距與建筑物所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)呈線性關(guān)系。若要使扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到合理改善，對樓層位移比作更進(jìn)一步的降低，則可利用對建筑物平面布置進(jìn)行調(diào)整，促使建筑物剛心與質(zhì)心兩者更為接近。在工程實(shí)踐中降低建筑物偏心距的方法為：在對結(jié)構(gòu)平面作初步計(jì)算以及分析后方可對其不規(guī)則性布置進(jìn)行調(diào)整，并充分利用計(jì)算結(jié)果精確判斷出建筑物的質(zhì)心以及剛心，同時還應(yīng)在工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)數(shù)據(jù)支持的前提下，對建筑物結(jié)構(gòu)整體剛度分布加以精確判斷，最終對那些與質(zhì)心之間具有較大距離的抗側(cè)力構(gòu)件加以適當(dāng)增減。

3.2對建筑物抗扭剛度比以及抗側(cè)剛度進(jìn)行調(diào)整

建筑物的結(jié)構(gòu)周期比平方值與其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大致也呈線性關(guān)系。因而在建筑物設(shè)計(jì)過程中，可考慮對建筑結(jié)構(gòu)周期予以適當(dāng)減小。在剪力墻施工過程中，應(yīng)盡量于限定范圍內(nèi)對周邊剪力墻行增厚或加長處理，對于與剛心之間有著最遠(yuǎn)距離的剪力墻尤其應(yīng)予以重視。

3.3增強(qiáng)抗扭構(gòu)件自身的抗剪力

要使建筑物在強(qiáng)烈地質(zhì)災(zāi)害下仍然保證安全無虞，則不能僅僅依靠對其結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)建筑物結(jié)構(gòu)整體處于非彈性時狀態(tài)時，地震作用力則會對建筑結(jié)構(gòu)施以雙向水平受力，建筑結(jié)構(gòu)則會隨其形態(tài)變化而發(fā)生偏心。抗扭效應(yīng)為構(gòu)件抗剪力的重要制約因素。若將建筑物抗震性能納入到考慮范圍內(nèi)，則應(yīng)對構(gòu)件抗剪性能加以強(qiáng)化，從而能夠在強(qiáng)震影響下保證建筑物結(jié)構(gòu)整體仍能處于彈性狀態(tài)。

3.4防震縫的設(shè)置

具有復(fù)雜平面形狀的建筑物常在工程實(shí)踐中出現(xiàn)，而受到多方因素限制無法將其設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)規(guī)則的平面。在此種情況下可將建筑結(jié)構(gòu)利用一定數(shù)量的防震縫將分割為若干相對簡單的單元，這是很有必要的。例如當(dāng)鄰近建筑物具有較大的基礎(chǔ)沉降量時，則可設(shè)置抗震縫，同時還可兼作沉降縫。

4.結(jié)束語

在建筑工程建設(shè)過程中，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一大難點(diǎn)工作，尤其是對當(dāng)前不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)者一旦失誤就會導(dǎo)致其模板工程、結(jié)構(gòu)的布置以及薄弱環(huán)節(jié)造成嚴(yán)重的影響。通過上述，本文對其進(jìn)行了全面的分析，希望能夠給相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考性依據(jù)，在設(shè)計(jì)中保證建筑結(jié)構(gòu)的造型與質(zhì)量。 [科]

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