探析高層建筑結構設計不規則性

何子興

摘要：隨著我國經濟實力和科學技術水平的大幅提升，人們思想觀念的不斷更新，嚴格意義的規則建筑已經很難見到，代之而起的是大批新穎別致、標新立異、張顯個性的建筑物。各地大量涌現的現代新型建筑物幾乎都是不規則或很不規則的，它們的出現既給城鎮建設帶來了嶄新的面貌，又給工程設計人員提出了嚴峻的挑戰，分析了與高層建筑結構不規則性的相關問題，提出了高層建筑結構的不規則性設計中應采取的措施。

關鍵詞：高層建筑；平面不規則性；措施

1.不規則性在高層建筑結構的概述

從古至今，建筑主體隨著時代的變遷發展成多種樣式的變化，而建筑物的對稱性一直是建筑物主體的核心部分。所謂建筑的對稱性是指建筑物中抗側力的肢體結構的對稱。每座建筑物的建造都是由專業工程師進行嚴格精確的計算和平面設計功能相互輔助，合理布置使建筑物結構在最大程度上對稱。建筑結構的不規則和不對稱，在水平側力的作用下，建筑物的結構會發生扭曲變形、荷載能力下降，而非結構異常工作，使其加大了結構的成本。結構不規則主要表現在以下幾個方面：一是結構為斜向的抗側力結構；二是結構不對稱和質量不規則。而這就導致質心與剛新出現嚴重的偏離，進而將結構扭轉。

當應力過于集中時，也會出現不對稱性，尤其是在應力集中部位的結構受到較大水平力作用時，其受到的損壞十分嚴重。建筑物的設計、結構布置、施工建造、以及建成，對建筑物施工前的數據計算與分析，對設計結構的布置以及位移比等都是影響建筑整體結構因素。為使建筑結構布置的更加經濟、合理、安全，設計師對建筑的設計不能只靠概念設計，加強對實際運用使不規則建筑調整為規則建筑。

2.高層建筑結構存在的不規則性的種類

高層建筑結構存在的不規則性的種類主要可以分為兩類：第一種，平面不規則結構類型，這其中還包含了扭轉不規則、凹凸面不規則、樓板局部不連續等等。第二種，豎向不規則結構類型，這其中又包括側向剛度不規則、豎向抗側力結構不連續、樓層承載力突變、樓層間質量突變等等。下面，就介紹一些比較常見的可以判斷兩種不規則類型標準的具體辦法。

2.1豎向不規則的類型

一般來說，豎向不規則的類型，首先是指側向剛度的不規則，檢測的辦法一般就是此樓層的側向剛度值不能超過臨近上層的十分之七；其次是在豎直方向上，它的結構抗側力分布不連續，檢測的方法一般是結構受力，他主要是依托水平設施來傳導的；再次就是樓層的承載力出現了比較大的波動，它的測量方法就是層間抗側力結構承載程度能高于它上一層的五分之四；最后就是樓層之間出現的重力大幅度存在變化，它的測量方法就是某一樓層的重量高出下層重量的百分之一百五。

2.2平面不規則的類型

平面不規則的類型一般分為三種：一是扭轉程度的不規則，它的測量方法就是每層樓之中最大的層間位移值要高出平均位移值的百分之一百二十；二是平面凹凸的不規則，測量辦法就是整體結構凹陷一側的長度與總長度的比例不能超過零點三；三是樓板局部的不連續，他的測量方法就是樓板的長度和平面剛度不能出現較大幅度的變化。

3.高層建筑不規則結構設計采取的對策

高層建筑物在地震的時候較易遭受破壞的一些結構大多都是平面不規則性結構，同時建筑物的剛度偏心、質量、承載力以、抗扭轉剛度過于脆弱的建筑結構，其中，扭轉效應對于建筑設計結構的破壞是最為嚴重的，那么，在工程設計的時候就有必要對其結構的相關扭轉效應進行有效控制與限制，例如可以盡量對建筑物設計結構平面上的不規則進行控制，這就能夠防止較大偏心的出現，進而使得建筑物的內部結構出現明顯的扭轉效應；另外，還可以在一定的條件下盡量增強高層建筑物設計結構的扭轉剛度，抑制其太脆弱而產生破壞。因此，有效研究減少建筑物內部結構扭轉效應的對策就成為設計過程中所要重點關注的問題。

3.1提高建筑物抗扭構件的抗剪力

高層建筑物的抗震設計就是達到建筑物在地震時安然無恙的效果，這單單依靠結構布局的調整是不夠的，由于建筑物結構在非彈性時期內，對稱、規則的結構會因為雙向水平的震動作用產生形態變化進而出現偏心現象，那么考慮結構本身的抗震性能就可以來強化建筑物中受抗扭效應制約的結構的抗剪性能，這樣就可保證建筑物在地震的時候還會處于整體彈性的狀態。

3.2控制高層建筑物結構的抗扭剛度與抗側剛度之比

由于高層建筑物內部結構中扭轉效應和結構周期之比的二次方趨于一種線性的關系，那么在建筑物結構設計的時候，需要想方設法的減小其結構周期。比如說在設計樓層剪力墻時，要在條件允許的情況下加厚或加長相鄰的剪力墻，尤其是要注重距離剛心比較遠的剪力墻。通常使建筑物結構中抗扭剛度加大的方法是在相應構件上增設拉梁，并且盡量縮短其結構扭轉周期，另外也可以加大相鄰連梁剛度來達到目的。

3.3在結構中加設防震縫來減小地震造成的破壞

現代建筑工程中越來越多的出現一些復雜的各類建筑結構，這都是由于實際條件限制而使得無法將平面結構設計成規則或是對稱的結構，這時就有必要設置規范的防震縫來把結構分解成相對簡單的單一結構個體，其中還要注意在設置抗震縫的過程中，若兩側的構件體系差異較大或者對震動反應表現不同之時，那么抗震縫的設計寬度就要更多的考慮薄弱一側的結構構件；而當結構相鄰的建筑構件基礎沉降量比較大的時候，也可增設兼做沉降縫的建筑抗震縫。

3.4建筑結構設計中的偏心距減小

科學研究表明在一定條件下，高層建筑物結構設計中的偏心距和扭轉效應呈線性關系，那么可以控制建筑物結構在平面上的布置，讓其設計結構的剛心與質心最大程度的接近，這樣就能有效的減小樓層之間的位移比，進而改善建筑物內部結構中的扭轉效應。在工程實際的設計過程中，為了使結構偏心距盡量減小，首先就要進行準確的初步計算，在找到結構的剛心和質心后加以分析，并調整整個建筑結構在平面布置上的不對稱和不規則性，與此同時，還要運用有關數據和條件，加之實踐經驗來判斷出建筑物平面結構的實際剛度分布，以便能夠有效增減偏離質心的抗側力結構構件。

4.高層建筑的不規則建筑的發展趨勢

隨著國家的發展，社會進步明顯增快，科技水平的不斷提高，許多大中小城市都在不斷的擴建與改造，設計師們也為了更好的融洽當今社會，順應時代的召喚和城市多元化的發展，他們在傳統設計理念的基礎上，嘗試了更多的挑戰。隨著城市的發展與建設的不斷更新，城市中的建筑也要求獨具一格、別出心裁，建筑物的復雜性和不規則性已成為現在城市建筑的發展趨勢。根據實際經驗及國家相關法律條文規定，建筑物的設計與建造應使建筑物對稱與規范，保證建筑物建造完工后不會因為受斜向側力的影響致使建筑物整體結構及安全帶來影響。這不僅是對建筑行業的一個挑戰，更是對設計人員的挑戰，在遵守國家的法律條文的同時，建筑行業對自身的強化與人員的培訓有著重要的意義。對不規則建筑的設計與計算也是現今建筑行業中最突出的問題。如今已有的不規則建筑已成為城市中的一道亮麗的風景線，例如有鳥巢、水立方、長城飯店以及希爾頓飯店等等。

5.結語

總而言之，相對規則建筑而言，高層不規則性建筑的設計和施工對安全性、競技性、合理性提出了更高的要求。因此，建筑設計師在進行高層不規則性建筑設計時，要重點考慮建筑物的薄弱構件環節，不斷提高、強化控制手段，為高層不規則性建筑的發展做出自己的貢獻。

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