高層建筑結構設計不規(guī)則性分析

蔡曉燕　安占義

【摘要】近些年來，不規(guī)則的建筑結構類型越來越多，這給高層建筑結構設計提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。本文就高層建筑結構設計的不規(guī)則性進行分析。

【關鍵詞】不規(guī)則性；結構設計

隨著社會的快速發(fā)展，人民生活水平的逐步提高，城市的不斷擴建，建筑行業(yè)也在不斷的發(fā)展，人們對建筑設計有了更高的追求。一些具有設計感、標新立異、不規(guī)則的建筑給城市增添不少亮麗的風景，但是也給結構設計人員帶來了更大的考驗。因此，對不規(guī)則的高層建筑結構設計進行研究分析是很有必要的。

高層建筑的抗震性是高層建筑結構不規(guī)則性設計最需要注意的問題。高層建筑結構設計需要解決的重點問題就是如何能夠在保持不規(guī)則的同時做好抗震性設計，只有根據(jù)不規(guī)則的程度采取有效的措施，才能既保證高層建筑的新穎外觀，又能保證設計的安全可靠。

一、高層建筑中不規(guī)則的結構劃分

（一）平面不規(guī)則結構的類型

平面不規(guī)則結構的類型主要包括了三種，即平面凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部開大洞。結構平面凹進一側(cè)的尺寸大于其投影方向總尺寸的30%，或平面凸出一側(cè)的長度大于寬度的1.5倍時，視為平面凹凸不規(guī)則。樓層豎向構件在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，最大水平位移和層間位移均大于該樓層平均值的1.2倍時，視為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；大于該樓層平均值的1.5倍時，視為嚴重不規(guī)則。樓板局部開大洞是指樓板開洞總面積超過樓面面積的30%時，平面剛度發(fā)生突變。

（二）豎向不規(guī)則結構的類型

豎向不規(guī)則結構的類型主要包括了四種，即側(cè)向剛度突變、樓層承載力不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)、樓層質(zhì)量沿高度分布不均。對于框架結構，樓層與其相鄰上層側(cè)向剛度的比值小于0.7，與其相鄰上部三層側(cè)向剛度平均值的比值小于0.8時，視為側(cè)向剛度突變。對于框架-剪力墻、剪力墻結構，樓層與其相鄰上層側(cè)向剛度的比值小于0.9時，視為側(cè)向剛度突變。樓層抗側(cè)力構件與其相鄰上一層層間受剪承載力的比值小于0.8時，視為樓層承載力不規(guī)則。豎向抗側(cè)力構件的內(nèi)力通過水平轉(zhuǎn)換構件而向下傳遞，視為豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)。樓層質(zhì)量沿高度分布不均是指樓層質(zhì)量大于相鄰下部樓層質(zhì)量的1.5倍。

二、不規(guī)則高層建筑結構設計中應采取的措施

經(jīng)歷多次大地震讓我們明白，平面嚴重不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心以及抗扭轉(zhuǎn)剛度太弱的建筑結構，在地震中都受到了嚴重破壞。通過一些振動臺模型試驗結果證明，扭轉(zhuǎn)效應是導致建筑結構嚴重破壞的重要因素。因此，在實際工程中需要從以下兩方面對建筑結構的扭轉(zhuǎn)效應加以制約：1）、對建筑結構平面布置的不規(guī)則性加以制約，從而避免產(chǎn)生過大的偏心而導致建筑結構產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應。2）、建筑結構的扭轉(zhuǎn)剛度不能太弱。為減少不規(guī)則結構設計給高層建筑帶來扭轉(zhuǎn)效應具體方法如下。

（一）減小結構的偏心現(xiàn)象

偏心距是指建筑結構某一個截面抗扭剛度中心偏離該截面的核心距離。偏心距過大對樓體承受壓力的構件不利，相對偏心距與扭轉(zhuǎn)效應在一個特定的環(huán)境范圍里以線性函數(shù)關系表現(xiàn)出來。要想降低扭轉(zhuǎn)效應給高層建筑帶來影響，必須減小樓層位移比，要調(diào)整建筑結構的平面布置，減小剛度中心與重量核心之間的距離，降低扭轉(zhuǎn)效應。因此，結構工程師應結合建筑平面及功能進行合理的結構布置。例如剪力墻結構中剪力墻的合理布置可以使結構的剛心與建筑的質(zhì)心、平面的形心盡量接近，從而實現(xiàn)結構的基本對稱。這就要求結構工程師在建模計算時，要反復調(diào)整分析計算結果。

（二）提高周邊抗扭構件抗剪力

相關研究表明，當建筑結構處于非彈性狀態(tài)時，對稱的建筑結構受到雙向水平地震作用下，會隨著形態(tài)變化而偏心。因此考慮建筑結構的抗震性能，應強化周邊抗扭構件的抗剪性能，使建筑結構可以在強震作用下保持整體彈性狀態(tài)。

（三）調(diào)整建筑結構抗側(cè)剛度和抗扭剛度

建筑結構的扭轉(zhuǎn)剛度與其結構周期比的平方呈線性關系。因此，加大結構抗扭剛度，就可以減小建筑結構的扭轉(zhuǎn)周期，降低結構的扭轉(zhuǎn)效應。為防止建筑結構某個部位的扭轉(zhuǎn)性能過差，就應該強化建筑結構中的各個薄弱環(huán)節(jié)。在具體設計時，可通過增加周邊連梁剛度、加長或加厚周邊剪力墻來實現(xiàn)。

（四）合理設置防震縫

對于平面形狀比較復雜的建筑結構，可以通過合理設置防震縫將結構分成比較簡單的結構單元。防震縫的設置，有利于減少房屋扭轉(zhuǎn)，改善結構抗震性能。防震縫兩側(cè)結構類型不同時，防震縫的寬度宜按不利的結構類型考慮，并按較低一側(cè)的房屋高度確定縫寬。防震縫應沿房屋的全高設置，基礎及地下室無需設置防震縫。防震縫兩側(cè)構件應加強構造措施，必要時可在防震縫兩側(cè)設置垂直于防震縫的抗撞墻。當相鄰結構的基礎存在較大差異時，為避免不均勻沉降，可適當加大防震縫的寬度。

結束語

在實際工程中，準確判斷建筑結構的不規(guī)則性，能直接影響到結構的建模計算、結構布置、薄弱樓層的判斷、位移比的控制、以及最后的施工圖設計，從而影響到整個建筑結構布置的合理性、安全性和經(jīng)濟性。結構設計師應在設計中采取有效的措施來避免和解決不規(guī)則性給建筑帶來的不利因素，提高高層建筑的抗震性能。

參考文獻

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