高層建筑不規則結構設計研究

毛維帥

1 引言

近年來，城市中的高層建筑數量及規模正在與日俱增，而隨著一棟棟“摩天大樓”的拔地而起，對它們的結構設計也提出了更高的要求。就現實情況來看，我國正有越來越多的高層建筑采用不規則結構設計，這昭示著建筑結構設計水平的進一步提升。不規則結構的高層建筑優勢有二：一是提高建筑外形的美觀性與個性化，二是解決自然條件、建筑空間、工程造價等相關因素的矛盾。不過，高層建筑不規則結構設計比普通結構設計的難度要大很多，以下就詳細談談高層建筑不規則結構設計的相關問題。

2 高層建筑不規則結構的主要類型

高層建筑不規則結構主要包括兩種類型，第一種類型是豎向不規則結構，第二種類型是平面不規則結構：

2.1 豎向不規則結構

豎向不規則結構可以分為三種類型，分別是：側向剛度不規則結構、抗側力構件不規則結構以及樓層承載力突變的結構。首先來說側向剛度不規則結構：側向剛度不規則結構是指某一樓層的側向剛度值為其上層樓層70%的范圍之內，這一樓層便是不規則性樓層。其次來說抗側力構件不規則結構：抗側力構件不規則結構是指豎直方向結構抗側列位置缺乏連貫性，即結構受力主要通過設置水平設施進行輸送。最后來說樓層承載力突變的結構：樓層承載力突變的結構是指樓層間出現明顯的重力改變，即某一樓層的重量超過其下一樓層的1.5倍。通過對高層建筑不規則結構進行分析可以發現，當發生地震之時，建筑結構破壞最為嚴重的區域一般是平面分布不均的區域，同時，扭轉剛度較大、剛度作用偏差較大的結構也會出現較大的損壞。由此可見，相較于地震帶來的水平晃動豎直作用而言，扭轉作用對建筑所造成的損壞更大。基于此，在高層建筑不規則結構設計過程中，必須要嚴格控制建筑主體結構的扭轉效應，通常可以采取以下幾種方法：第一，在建筑結構有效范圍之內，盡可能地提升扭轉剛度值，以強化扭轉下的抵抗性能；第二，通過實現空間、平面上的對稱性，以保障空間、平面的分布規律性，避免出現較大的偏心作用，進而減小主體結構的扭轉效應。

2.2 平面不規則結構

平面不規則結構可以分為三種類型，分別是：平面不規則扭轉結構、樓板缺乏連續性的結構以及樓板凹凸不規則結構。首先來說平面不規則扭轉結構：平面不規則扭轉結構是指立足于每層樓房結構的兩端存在的彈性水平位移量進行判斷，如果樓層水平位移量為平均值的1.2倍或者是以上，則樓層結構便會出現不規則扭轉的情況。其次來說樓板缺乏連續性的結構：樓板缺乏連續性的結構是指樓板結構缺乏連續性，其主要原因在于樓板面積、建筑結構平面發生劇烈變化。最后來說樓板凹凸不規則結構：樓板凹凸不規則結構是指在結構投影尺寸上，若平面凹進面積超過30%，則為凹凸不規則。

3 高層建筑不規則結構設計的意義

當今時代，在城市化建設進程不斷加快、建筑行業迅速發展的同時，人們的生活水平、生活質量得到了顯著提高，在此背景下，也對建筑設計表現出了多樣化、個性化的需求，這無疑給建筑設計工作帶來了更大的難度。現代建筑設計不僅要確保建筑的安全性，還要提高建筑的美觀度及注重建筑的節能性。基于這樣的原因，在高層建筑結構設計過程中，應當要先對建筑本身的結構、用料、框架等問題進行全面了解和深入分析，同時還要充分考慮到當地的地理條件、周圍環境等因素，這樣才能夠設計出兼具舒適性、安全性、實用性以及美觀性的高層建筑。現代社會是一個個性張揚的社會，人們更加希望能夠生活和工作在一個特色化的、個性化的建筑物之中，因此，在高層建筑結構設計中越來越多的采用了不規則結構設計。不規則結構設計既可以提高高層建筑外形的美觀性與個性化，又能夠解決自然條件、建筑空間、工程造價等相關因素的矛盾。但與此同時，其這也給建筑設計、施工等工作提出了更高的要求、帶來了更大的難度。面對這樣的情況，有必要進一步加強對高層建筑不規則結構設計的研究，盡快找到更加有效的設計方法和技巧來提高高層建筑不規則結構設計水平；同時還要加強對各種新技術、新理念的應用，最大限度地減少不規則結構給高層建筑造成的負面影響，以為建筑施工工作提供科學的指導，切實保證高層建筑的美觀性與建設質量。

4 高層建筑不規則結構設計的策略

當前，隨著高層建筑的迅速發展，國內外諸多業內學者紛紛開展了對高層建筑的深層次研究，其中也包括對高層建筑不規則結構設計的研究。經分析發現，當地震發生之后，高層建筑初選結構破壞的問題，很多時候都是由于建筑結構本身的不規則性所造成的。進一步研究還發現，扭轉效應是導致建筑結構遭受損壞的最主要因素。由此可見，在高層建筑不規則結構設計過程中，必須要重點控制好不規則結構的扭轉效應。以下就介紹幾種控制不規則結構的扭轉效應的策略。

4.1 提高抗扭剛度與抗側剛度

為了有效控制好不規則結構的扭轉效應，在設計過程中可以根據實際情況提高建筑結構的抗扭剛度與抗側剛度。通過對高層建筑不規則結構進行深入分析不難發現，高層建筑主體結構出現自我振動周期的扭轉情況與平方值應當要具備線性函數關系。因此，在高層建筑不規則結構設計中，應當要盡可能地減少建筑自我振動時間，從而降低高層建筑主體結構的扭轉效應。在分析高層建筑的剪刀墻結構之時，可以通過改變墻體大小以及在實際操作過程中根據主體結構邊緣處柱梁的實際情況進行適當調整，從而減少高層建筑主體結構的自我振動周期、控制其扭轉效應。另外，通過適當提高邊緣梁值，也可以起到調整抗扭剛度與抗側剛度的作用。

4.2 降低相對偏心距

通過降低相對偏心距，可以比較有效地控制不規則結構的扭轉效應，其主要原理在于高層建筑結構的相對偏心距及其扭轉效應可呈線性函數關系。也就是說，通過減小樓體間的位移，便可以降低由主體結構扭轉效應所造成的不良影響。基于此，應當要在高層建筑不規則結構設計中適當減小結構的相對偏心距，從而改善高層建筑結構的平面、空間整體分布情況及提高結構間的穩定性與安全性。與此同時，在實際建筑施工過程中，也可以采取一些有效的措施來減小高層建筑結構的相對偏心距。為此，應當要對高層建筑的相關數據進行準確測量，然后以此為根據來制定出一套科學的相對偏心距調整方案，并在設計圖紙上明確標記相對偏心距的位置，對相關數據信息進行準確分析，這樣才能夠切實保障高層建筑不規則結構設計的科學性與合理性。

4.3 增強抗剪強度

增強抗剪強度是控制不規則結構的扭轉效應的常用方法。光是通過協調主體結構分布，并不能真正有效控制不規則結構的扭轉效應，一旦受到較大的外力作用，則主體結構很容易會遭到破壞。據相關研究發現，如果高層建筑長期處于非彈性階段的話，即使其結構最初是規則性的，但一旦遭受地震作用的影響，其結構也會產生偏心缺陷而轉變為不規則。因此，為了確保高層建筑主體結構的抗震性能，必須要提高主體結構邊緣構件的抗剪強度，這樣即使高層建筑整體結構遭受了巨大外力作用，也可以受到自身彈性作用而回到正常狀態。

4.4 設置防震縫

在高層建筑不規則結構設計中，通過設置防震縫，可以發揮出良好的控制扭轉效應的作用。一般來說，高層建筑不規則結構設計中常會應用到一些結構比較復雜的平面形狀，而由于受到現實因素限制，往往無法合理設置規則的平面結構，對此，只有采取設置防震縫的方法，才能夠有效將建筑結構轉變為簡單結構單元。需注意，對于不同體系結構的兩側、不同作用的地震效應，應當要根據實際情況來合理確定防震縫的寬度。另外，若相鄰結構的沉降較大的話，也可以利用防震縫來發揮沉降縫的作用。

5 結語

綜上所述，高層建筑是現代建筑的主要趨勢，而在高層建筑設計中，不可避免地會應用到許多不規則結構，這也是其設計中的一大難點。不規則結構設計既可以提高高層建筑外形的美觀性與個性化，又能夠解決自然條件、建筑空間、工程造價等相關因素的矛盾。而無論是豎向不規則結構還是平面不規則結構，其在實際設計中都需要采取科學合理的設計方法與技巧，特別是要控制好不規則結構的扭轉效應，對此，可以采取提高抗扭剛度與抗側剛度、降低相對偏心距、增強抗剪強度、設置防震縫等策略來滿足設計要求。