高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的分析與實(shí)踐

張家俊

（廣東南海城鄉(xiāng)建筑設(shè)計(jì)有限公司廣東佛山　528200）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的分析與實(shí)踐

張家俊

（廣東南海城鄉(xiāng)建筑設(shè)計(jì)有限公司廣東佛山528200）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，科技水平得到明顯提升，很多行業(yè)對(duì)應(yīng)的也得到了前所未有的發(fā)展提升。當(dāng)前就建筑行業(yè)來講，很多高層建筑在結(jié)構(gòu)上存在不規(guī)則的特征，這其實(shí)也使結(jié)構(gòu)工程師對(duì)一些建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提高了要求。本文首先就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，重點(diǎn)說明它的特點(diǎn)、形勢(shì)以及種類，并且分析在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具體應(yīng)用情況，爭(zhēng)取能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)做出更好的設(shè)計(jì)提供一定的理論支持。

高程建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；不規(guī)則性；分析；實(shí)踐

在進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，由于所建設(shè)施常常會(huì)受到地形地質(zhì)、資金、施工過程、空間剩余等多個(gè)方面的影響，或多或少都會(huì)引起一定的建筑物不規(guī)則性。高層建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中出現(xiàn)的不規(guī)則性主要體現(xiàn)在平面布局、水平和垂直受力、剛度和延性以及部分結(jié)構(gòu)等層面。在實(shí)際建筑過程當(dāng)中，工作人員需要對(duì)結(jié)構(gòu)中存在的不規(guī)則點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確把握，并且還要根據(jù)對(duì)應(yīng)的不規(guī)則點(diǎn)繪制出分布圖，以免這些不規(guī)則點(diǎn)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)以及建筑物規(guī)模設(shè)定等方面產(chǎn)生不利應(yīng)用。通過對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的研究，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中薄弱環(huán)節(jié)，才能夠制定對(duì)應(yīng)的處理對(duì)策，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與可靠性。

1　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則的特點(diǎn)和形勢(shì)

隨著我國(guó)城市化建設(shè)步伐的加快，國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)一直在不斷發(fā)展變革當(dāng)中，再加上人們對(duì)建筑要求的提升，人們已經(jīng)不能夠滿足于過去那種結(jié)構(gòu)單一，只是講究對(duì)稱的規(guī)則性建筑，并且對(duì)建筑的整體外光也有了新的要求。隨著各種新的設(shè)計(jì)理念的出現(xiàn)和創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不再僅僅局限于規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)，而是通過不斷改進(jìn)自身的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想，變更設(shè)計(jì)方式，著手設(shè)計(jì)一些風(fēng)格迥異、別具一格的建筑。所以越來越多的不規(guī)則性建筑在城市當(dāng)中拔地而起，這種趨勢(shì)是人類社會(huì)文明不斷進(jìn)步發(fā)展的趨勢(shì)，在不久的將來相信會(huì)成為國(guó)城市建筑結(jié)構(gòu)的主旋律。盡管一些不規(guī)則的建筑物改變了原本建筑規(guī)則的外觀，使得城市建筑多樣性提升，但是相應(yīng)的也會(huì)給設(shè)計(jì)施工人員帶來很多的難題。比如說在對(duì)凹凸不平的平面進(jìn)行處理時(shí)、局部樓板不連續(xù)處理以及怎么保證結(jié)構(gòu)整體剛度等，在很大程度上提升了技術(shù)難度，增加了成本。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1盡可能減少高程建筑相對(duì)偏心距的大小

根據(jù)詳細(xì)的調(diào)查數(shù)據(jù)，不斷進(jìn)行分析可以得出，高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和相對(duì)偏心距在一定的范圍內(nèi)是呈現(xiàn)線性關(guān)系的，所以說要想降低主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來的負(fù)面影響，就需要盡最大可能減少不同樓層之間相對(duì)位移的比例，減少相對(duì)偏心距。只有做好這些部分的工作，才能夠保證對(duì)高層結(jié)構(gòu)平面以及空間分布進(jìn)行合理布局，使得剛度中心同整體結(jié)構(gòu)中心偏離距離減少。在進(jìn)行實(shí)際建筑設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用以下方法來減少高層主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距：首先需要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，根據(jù)具體計(jì)算結(jié)果，來分析如何對(duì)主體結(jié)構(gòu)的平面以及空間分布進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，根據(jù)分析結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)紙上準(zhǔn)確標(biāo)記處剛度中心以及高層建筑整體結(jié)構(gòu)的重心所在；除了做好以上幾個(gè)方面的工作之外，設(shè)計(jì)人員還要對(duì)數(shù)據(jù)信息資料進(jìn)行有效分析，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度分析進(jìn)行認(rèn)真規(guī)劃，根據(jù)具體規(guī)劃情況，來調(diào)節(jié)偏離重心比較遠(yuǎn)的抗測(cè)力設(shè)施。

2.2根據(jù)實(shí)際情況選擇結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

大量的理論和實(shí)踐表明，選擇科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系能夠在很大程度上提高復(fù)雜高層建筑以及超高層建筑的穩(wěn)定性和安全性，它也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)所在。在進(jìn)行選擇上具體需要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的選擇時(shí)，一定要首先考慮建筑的高度。當(dāng)高層建筑物的高度處在100m的時(shí)候，可以選擇框架結(jié)構(gòu)、剪力墻以及框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)體系；當(dāng)建筑物的高度處在100～ 200m的時(shí)候，所選用的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系主要為剪力墻、框架-核心筒；當(dāng)在200～300m之間的時(shí)候所采用的結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒、框架-核心筒-伸臂；300～400m，為框架-核心筒-伸臂、筒中筒；高于400m的建筑，算是比較高的建筑，它在結(jié)構(gòu)體系的選擇上能夠選用的結(jié)構(gòu)體系也會(huì)相應(yīng)的減少，現(xiàn)階段我國(guó)的主要結(jié)構(gòu)體系為筒中筒-伸臂、大型框架/矩形斜撐/大型桁架的組合體等。

（2）在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作時(shí)，一定要充分做到各結(jié)構(gòu)體系之間的相互聯(lián)合和統(tǒng)一。

（3）在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)采用多種抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的時(shí)候，要預(yù)先進(jìn)行試驗(yàn)和分析，當(dāng)確保所選用的結(jié)構(gòu)體系能夠達(dá)到建筑要求時(shí)方能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

2.3要注意做好防震設(shè)計(jì)

（1）在進(jìn)行超高層以及復(fù)雜高層建筑的施工操作的時(shí)候，要想保證能夠起到一定的抗震作用，對(duì)于建筑材料的選擇是至關(guān)重要的。

（2）要切實(shí)做好建筑的設(shè)計(jì)工作，確保地震發(fā)生時(shí)，能量的輸入能夠得到有效的控制。具體所需要做到的方面有：①當(dāng)建筑物施工完成時(shí)，對(duì)建筑物的構(gòu)建進(jìn)行承載力驗(yàn)收工作的時(shí)候，要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在地震情況下的各樓層的位移和變形的限制進(jìn)行良好的控制；②在對(duì)超高層和復(fù)雜高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要充分考慮到地震所發(fā)生的可能性，采用積極和基于抗震的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，并且對(duì)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)要進(jìn)行定量的分析，確保所作的抗震設(shè)計(jì)能夠滿足要求；③要對(duì)建筑物在地震情況下，所發(fā)生的變形和位移這兩者之間的關(guān)系進(jìn)行精確的計(jì)算，預(yù)先設(shè)計(jì)好構(gòu)件的變形值；④結(jié)合建筑物的高度和大小對(duì)建筑物的構(gòu)造進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)；⑤高層建筑施工的場(chǎng)地一定要選用堅(jiān)固的土地，確保地基的穩(wěn)定性，這在一定程度上也能夠減少地震的危害性。

（3）利用先進(jìn)的施工技術(shù)最大化提升建筑的延性。對(duì)于高層建筑來講，它自身的承載能力基本上是一定的，但是它的延性確實(shí)有很大的不同，同時(shí)已經(jīng)有大量的實(shí)踐和理論表明，建筑物具有良好的延性能夠?qū)⒌卣鹚鶐淼哪芰窟M(jìn)行有效的轉(zhuǎn)移，減少建筑結(jié)構(gòu)的變形程度。所以要想做好防震工作，從提升建筑結(jié)構(gòu)的延性入手也不失為一個(gè)好的辦法。

（4）做好施工前的設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量高低對(duì)于抗震效果有著明顯的影響作用，所以在進(jìn)行超高層以及復(fù)雜高層建筑施工的時(shí)候一定要做好建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)工作，并且要根據(jù)建筑所處的地理位置和建筑高度選用適合的結(jié)構(gòu)體系。一般來講目前最為流行的結(jié)構(gòu)體系主要有三種：框架-筒、筒中筒以及框架-支撐結(jié)構(gòu)體。

3　高程層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的應(yīng)用

不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，歷次的大地震震害都高速人們，如果建筑結(jié)構(gòu)的平面不規(guī)劃、質(zhì)量和剛度偏移以及抗扭轉(zhuǎn)剛度較弱在地震中都會(huì)受到非常嚴(yán)重的破壞。在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行限制時(shí)，可以從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：

圖1　結(jié)構(gòu)豎向收進(jìn)和外挑示意

圖2　建筑結(jié)構(gòu)平面的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則示意

（1）可以通過限制建筑結(jié)構(gòu)平面布置當(dāng)中存在的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生較大的偏心，防止出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（2）還要保證限制建筑結(jié)構(gòu)扭住剛度要足夠強(qiáng)。關(guān)鍵是需要限制第一自振周期和平動(dòng)為主的第一自振周期比值。因?yàn)槿绻麅烧弑容^接近的話，受到較強(qiáng)振動(dòng)耦聯(lián)影響，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)較大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

當(dāng)前在高層建筑工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，多數(shù)應(yīng)用的計(jì)算與計(jì)算分析方法，具有相同假定，都是假定平面內(nèi)剛度無限大、樓板在平面內(nèi)不出出現(xiàn)變形，雖然一般情況下對(duì)絕大多數(shù)工程來講可以接受，不過一旦樓板有比較大的凹入，存在比較大的開洞，樓板在平面內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)變形，這個(gè)時(shí)候之前的假定就不再適用，對(duì)應(yīng)的也就需要采用考慮到樓板變形影響的相關(guān)計(jì)算方法與程序。考慮到樓板的實(shí)際剛度可以利用樓板等效為受彎水平梁簡(jiǎn)化方法，所以說是可以把樓板劃分成單元之后在利用有限元法進(jìn)行計(jì)算的。樓板的凹入和開洞尺寸不能夠大于樓面寬度的一半以上，同時(shí)樓板的開洞總面積最好也不要超過樓面面積的1/3，在去除掉開洞以及凹入部分的面積之后，在任何一個(gè)方向的樓板最小凈寬度都不要小于5m，并且開洞之后每一邊樓板凈寬度要大于2m。

圖3　建筑平面結(jié)構(gòu)圖

4　結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行高層建筑項(xiàng)目建設(shè)過程中，高層建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)呈現(xiàn)出不規(guī)則性，這些不規(guī)則性或多或少會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)施分布、占地規(guī)模以及穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重影響建筑工程的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。針對(duì)不規(guī)則性的高層建筑結(jié)構(gòu)，需要做好認(rèn)真細(xì)致的規(guī)劃，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員需要采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，盡可能減少因?yàn)榻ㄖ牟灰?guī)則性帶來的高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，削弱不規(guī)則性帶來的負(fù)面影響，保證建筑工程質(zhì)量的同時(shí)，還能夠增加其美觀性。

[1]姜海鳳.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的研究和應(yīng)用[J].江西建材，2015，07：55+60.

[2]謝慧.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則性的應(yīng)用[J].江西建材，2015，09：27+31.

[3]范文彬，唐明忠.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的研究與應(yīng)用[J].建筑設(shè)計(jì)管理，2014，06：72～74.

[4]付藝璇，滿國(guó)君.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的研究與應(yīng)用[J].門窗，2013，07：190+193.

TU973.3

A

1673-0038（2015）50-0045-02

2015-11-20

張家俊（1989-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)工程工作。