高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)微探

溫東霞

摘要：本文研究高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹不規(guī)則結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的具體措施，供相關(guān)人員借鑒參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑;不規(guī)則結(jié)構(gòu);偏心距

高層建筑功能的豐富促使其結(jié)構(gòu)朝向多樣化發(fā)展，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)頻繁出現(xiàn)于現(xiàn)代高層建筑產(chǎn)品中，為確保高層建筑建設(shè)質(zhì)量，需對不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

一、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)

高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)可分為平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)、豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)和超規(guī)范結(jié)構(gòu)。（1）平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。①若結(jié)構(gòu)位移比超過1.2，則視為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。②平面長寬比較大，當(dāng)抗震設(shè)防烈度在5-7度，長寬比高于8，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為8度，長寬比高于5;凹進(jìn)大，某側(cè)尺寸超過投影方向尺寸35%;凸出部分過細(xì)，長寬比高于2。以上三種情況被視為凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)。③樓板連續(xù)性不足，例如樓板開洞面積過大，己達(dá)到總面積的1/3以上，或樓板呈現(xiàn)為沙漏型，也可被劃分為平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。（2）豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。豎向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)包括側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層承載力突變等形式。其中，豎向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)指的是除建筑頂層外，其他樓層側(cè)向剛度與上相鄰樓層之間差距不足70%、與上間隔樓側(cè)之間差距不足80%的結(jié)構(gòu)。豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)指的是豎向構(gòu)件位置縮進(jìn)超過25%、外挑超過lO%及4m、墻柱等結(jié)構(gòu)上下不連續(xù)、存在加強(qiáng)層等結(jié)構(gòu)的情況。樓層承載力突變指的是A級不規(guī)則建筑受剪承載比低于0.8、B級低于0.5的情況。（3）超規(guī)范結(jié)構(gòu)。超規(guī)范結(jié)構(gòu)指的是高層建筑自身結(jié)構(gòu)不規(guī)則，如超高、超限等情況，即建筑結(jié)構(gòu)高度、限值超出合理范圍。另外，采用新型建筑材料、施工工藝的結(jié)構(gòu)也可能成為超規(guī)范結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)規(guī)范在常規(guī)體系中無法找到。由于建筑結(jié)構(gòu)無法在現(xiàn)有建筑規(guī)范體系中找到理論依據(jù)，缺少可參考的建筑經(jīng)驗(yàn)，因此其是否被劃定為不規(guī)則結(jié)構(gòu)不受平面設(shè)計(jì)及立面設(shè)計(jì)合理性的影響[1]。

二、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

（一）偏心距調(diào)整

高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能降低偏心距，促使建筑體質(zhì)心與鋼心重合，提升建筑穩(wěn)定性及質(zhì)量。含有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的高層建筑偏心距與建筑扭矩之間存在線性相關(guān)性，因此通過不規(guī)則結(jié)構(gòu)的布局優(yōu)化，降低各樓層間位移比進(jìn)而對偏心距進(jìn)行有效控制。在實(shí)際工作中，可對建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，調(diào)整后再次計(jì)算，重復(fù)以上步驟完成偏心距的調(diào)整。同時(shí)，以上方案還能了解不規(guī)則建筑的剛度分布特點(diǎn)，有助于結(jié)構(gòu)側(cè)抗力結(jié)構(gòu)調(diào)整，明顯提高建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

其中涉及到層間位移比的計(jì)算，該參數(shù)指剛性樓板假定計(jì)算樓層的最大層間位移與該樓層兩側(cè)平均層間位移之比，可用于高層建筑平面不規(guī)則性的控制。通常情況下，高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的層間位移比不應(yīng)超過1.2，若為A級不規(guī)則高層建筑，其層間位移比也不應(yīng)高于1.5，B級與轉(zhuǎn)換層、多塔等高層建筑不應(yīng)高于1.4。

（二）剛度調(diào)整

剛度調(diào)整包括不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及扭曲剛度。建筑結(jié)構(gòu)振動周期與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)之間存在明顯的影響關(guān)系，因此在緩解建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，可對振動周期進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。例如，A級不規(guī)則結(jié)構(gòu)中，以扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為主的第一自振周期與以平動為主的第一自振周期之間比例不應(yīng)超過0.9，B級不應(yīng)超過0.85。例如在設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)，需保證墻厚與長度的合理關(guān)系，尤其對于中心間距較大的墻體，可選用在結(jié)構(gòu)邊緣設(shè)置梁、柱等結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)抗扭強(qiáng)度，降低振動周期。扭曲剛度可通過邊緣連續(xù)梁剛度進(jìn)行優(yōu)化，提高連續(xù)梁的抗剪能力，并適當(dāng)增大連梁截面，強(qiáng)化整體結(jié)構(gòu)性能。

（三）抗扭構(gòu)件應(yīng)用

總結(jié)以往建筑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在非彈性狀態(tài)下，高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)受水平震動的影響程度更高，工程施工過程中，不規(guī)則結(jié)構(gòu)形態(tài)呈動態(tài)變化，易發(fā)生高層建筑整體結(jié)構(gòu)偏心的問題。此時(shí)，可提高結(jié)構(gòu)抗剪能力，增加結(jié)構(gòu)彈性，使其能夠承受更強(qiáng)的震動作用。

（四）防震設(shè)計(jì)

帶有不規(guī)則結(jié)構(gòu)的高層建筑防震設(shè)計(jì)通常采用添加防震縫的方案，利用防震縫將不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)劃分為多個常規(guī)結(jié)構(gòu)模塊，以此提高其穩(wěn)定性及抗震性能。防震縫一般設(shè)計(jì)為雙柱、雙墻等模式，其寬度一般在50-lOOmm，被劃分后的不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)可視為由多個穩(wěn)定性更高的一般結(jié)構(gòu)組成，能夠承受更強(qiáng)的地震破壞作用。

（五）計(jì)算方式選擇

高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到較多的參數(shù)計(jì)算工作，參數(shù)選擇是否合理在很大程度上就決定了建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)實(shí)踐中常用的分析計(jì)算方法包括底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法、彈性時(shí)程分析法等。其中，底部剪力法適用于多層建筑，振型分解反應(yīng)譜法的核心為SATWE，在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用更為普遍。

三、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化案例

某商住兩用高層建筑主體采用雙塔結(jié)構(gòu)，包括地下2層，地上30層。其中，地上一層層高4.8m，為多功能廳。兩座塔樓均采用“Y”型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為8度抗震。剪力墻結(jié)構(gòu)使用年限為60年，安全等級為2級。

該項(xiàng)目雙塔結(jié)構(gòu)均為“Y”型結(jié)構(gòu)，且項(xiàng)目臨湖而建，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求較高。采用以下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：首先，調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，在建筑整體內(nèi)形成多個簡體結(jié)構(gòu)，利用束筒效應(yīng)提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度及荷載性能。其次，調(diào)整扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。適當(dāng)調(diào)高塔樓Y形平面外墻厚度及長度，將連梁高度調(diào)整為1200mm，降低中部簡體墻厚并弱化中部連梁的作用。最后，調(diào)整結(jié)構(gòu)自重。自重調(diào)整主要為減輕地震作用對建筑穩(wěn)定性的影響，原設(shè)計(jì)方案中，剪力墻內(nèi)外圍由350mm調(diào)整至320mm，內(nèi)部由300mm調(diào)整至250mm。在結(jié)構(gòu)內(nèi)部分位置加設(shè)樓層梁，板厚在lOOmm。

四、結(jié)論

高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化需重點(diǎn)關(guān)注各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如結(jié)構(gòu)偏心距、抗側(cè)剛度、扭曲剛度等，合理利用抗扭構(gòu)件及防震縫，適當(dāng)選擇分析計(jì)算方法，確保建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫凌.關(guān)于高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析[J].建材與裝飾，2019 （15）：94-95