高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則問題與抗震措施分析

摘要：隨著城市現(xiàn)代化進程的不斷加快，國家的經(jīng)濟水平有了一定的提高，從長遠的角度出發(fā)，為了促進國家的健康持續(xù)發(fā)展建筑設(shè)計是城市的一面旗幟，兩者之間有著密不可分的關(guān)系，在城市規(guī)劃過程中的相關(guān)建筑設(shè)計有著較為深遠的意義，為此高層建筑中的不規(guī)則性是符合時代發(fā)展的必然選擇。不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)特殊，存在抗震不利的問題，必須規(guī)范、科學(xué)地進行結(jié)構(gòu)布置與計算分析，并采取相應(yīng)的加強措施，保證結(jié)構(gòu)使用安全可靠，滿足抗震性能目標要求。基于此，本文主要分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則問題與抗震措施。

關(guān)鍵詞：高層建筑;不規(guī)則結(jié)構(gòu);抗震措施

引言

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的問題眾多，每個問題都對建筑物起著關(guān)鍵性的作用，所以要做好每一步的設(shè)計。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項及有難度的技術(shù)型工作。作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計單位和設(shè)計人員，應(yīng)牢固掌握建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)知識，并在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)生產(chǎn)生活的實際需要，對其進行更為便捷、舒適、環(huán)保的設(shè)計，以滿足時代發(fā)展的需求。為高層建筑結(jié)構(gòu)的安全提供保障，實現(xiàn)建筑企業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

1高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則

1.1空間整體建設(shè)標準

高層建筑規(guī)范設(shè)計中，往往不是單獨的結(jié)構(gòu)體系。其中包含多子結(jié)構(gòu)，各個子結(jié)構(gòu)部件相互組合，構(gòu)建完整的結(jié)構(gòu)體系。在建筑結(jié)構(gòu)組合中，需要結(jié)合各個部件之間的配合關(guān)系，保證建筑整體的穩(wěn)定性。重視結(jié)構(gòu)內(nèi)綜合抗震性能水平的提升，結(jié)合各個子結(jié)構(gòu)進行強度、剛性水平的分配。

1.2高層建筑功能適應(yīng)性

高層建筑在設(shè)計上由于功能因素的不同，結(jié)構(gòu)空間的特征也有所不同。不同的結(jié)構(gòu)體系模式，需要結(jié)合相互空間布置關(guān)系，分析其中存在的差異。重視分析不同內(nèi)部空間的關(guān)系與特征，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)實施合理的適應(yīng)和應(yīng)用，確定符合高層建筑結(jié)構(gòu)功能所適應(yīng)的基本原則。

1.3高度適應(yīng)性

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，需要明確不同結(jié)構(gòu)體系的關(guān)系。從力學(xué)特征入手，分析實際整體結(jié)構(gòu)的性能要求。對不同的結(jié)構(gòu)體系進行分析，以滿足不同的使用高度要求。在合理的結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，重視優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)性能的綜合建設(shè)發(fā)展水平，滿足高度適應(yīng)的基本價值應(yīng)用水平要求[1]。

2不規(guī)則結(jié)構(gòu)的定義

2.1平面不規(guī)則

平面不規(guī)則主要包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)等情況。其中，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)要求在規(guī)定水平力作用下，樓層最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）超過兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）均值的1.2倍;凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)要求平面凹進尺寸超過投影方向總尺寸的30%;樓板局部不連續(xù)則為樓板尺寸、平面剛度出現(xiàn)急劇變化。

2.2豎向不規(guī)則

高層建筑設(shè)計過程中，常見的不規(guī)則結(jié)構(gòu)是豎向不規(guī)則類型，關(guān)于豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)具體包括以下之中類型：第一種情況是豎直方向向上的抗側(cè)力以及豎向側(cè)壓力的不規(guī)則性產(chǎn)生的內(nèi)力，通過水平方向的轉(zhuǎn)換構(gòu)建向下傳遞;第二種，樓層之間的相關(guān)質(zhì)量突變，相鄰兩個樓層之間的質(zhì)量大于下一個樓層質(zhì)量的1.5倍，作為相應(yīng)的判斷標準;第三種，側(cè)向剛度不規(guī)則的情況以該樓層的側(cè)向剛度值小于該樓層以上相鄰三個樓層的側(cè)向剛度平均值的80%，除掉頂層的相關(guān)樓層布局所收進的水平向尺度應(yīng)該大于相鄰下一樓層的25%，或者小于與其相鄰的上一樓層側(cè)向剛度的70%作為相應(yīng)的判斷依據(jù)。

3建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要性

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB2011-2010（2016年版）》已于2016年8月1日正式實施，本次修訂進一步提高了部分行政區(qū)域的抗震設(shè)防烈度。在國民經(jīng)濟水平不斷提高的大背景下，本次規(guī)范的修訂及實施，凸顯相關(guān)職能部門對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的關(guān)心與關(guān)注。我國處在世界兩個最活躍的地震帶上，東瀕臨環(huán)太平洋地震帶，西部和西南部為阿爾卑斯—喜馬拉雅地震帶，是世界上多地震的國家之一。根據(jù)地震史料記載，我國所有省份均曾發(fā)生過5級與5級以上地震。其中除了浙江、貴州兩省外，全國各省都有6級以上地震發(fā)生。建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計時如未考慮抗震或不重視抗震設(shè)計，將給人民群眾的生命健康和財產(chǎn)損失帶來災(zāi)難性的后果[2]。

4高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震措施

4.1抗震設(shè)計主要內(nèi)容

地震作為主要的自然災(zāi)害事件，對人類生存和發(fā)展會產(chǎn)生嚴重影響，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能與人們的生命安全、財產(chǎn)安全之間有著密切的關(guān)系。高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要考慮外觀美感，同時還要結(jié)合實用性、經(jīng)濟性等特點。高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計需根據(jù)抗震規(guī)范要求進行，利用彈性方法分析內(nèi)力位移，結(jié)合極限的狀態(tài)進行設(shè)計。針對重要的建筑物或是有特殊要求的建筑物，則采取時程分析法，在補充計算的方式下進行設(shè)計，對大震作用下高層建筑結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)進行計算，保證抗震設(shè)計效果能夠滿足其建筑性能的要求，提高抗震效果。

4.2抗震性能設(shè)計原則要求

第一，抗震性能目標的合理選定。在切實滿足高層建筑承載力、變形需求的基礎(chǔ)上，參考建筑整體、局部的現(xiàn)實情況與要求，確定出合適的建筑抗震性能水準，并由此制訂出配套抗震性能設(shè)計目標。第二，以技術(shù)、經(jīng)濟可行性兩方面為切入點，對高層建筑抗震性能目標進行綜合分析與論證，以此確?？拐鹦阅苣繕藢崿F(xiàn)的可行性及抗震設(shè)計方案的可操作性。第三，提前完成抗震性能優(yōu)化設(shè)計主要內(nèi)容的明確，包括抗震目標、預(yù)期達到的性能標準等，并對抗震計算的嚴謹性、精確性、合理性及可靠性進行嚴格要求。

4.3增強抗震意識

抗震設(shè)計作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作重要內(nèi)容，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，需要綜合采取結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計措施，具體措施如下。第一，建筑場地選擇。在條件允許的前提下，盡可能選擇未分布軟土地基、不均勻沉陷滑坡、粉砂土液化與地裂等存在地質(zhì)問題的場地。第二，結(jié)構(gòu)抗震體系選擇。合理分配建筑抗震結(jié)構(gòu)內(nèi)力，規(guī)劃多條地震力傳遞途徑，重點改善薄弱部位的抗震能力，避免出現(xiàn)建筑局部突變與塑形變形等安全事故。第三，設(shè)置多道抗震放線。在出現(xiàn)地震災(zāi)害事故后，由于人為設(shè)置若干數(shù)量豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，在地震能量傳播期間可以有效吸收地震能量，以此緩解建筑物共振現(xiàn)象，避免建筑結(jié)構(gòu)嚴重破損[3]。C529CF8C-33C2-4BB4-A0C7-20AD51CBF8D0

4.4注意在建筑的節(jié)點處設(shè)置相應(yīng)的隔震裝置

當前，地震發(fā)生過程中由于地震能量，導(dǎo)致會從建筑的底部一致向頂端產(chǎn)生沖擊，特別是不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)本身的剛度等方面較為薄弱，因而很容易受到無法估計的傷害。為了盡量降低其危害性，可以在建筑的關(guān)鍵節(jié)點部位設(shè)置相應(yīng)的隔震裝置，來減輕地震發(fā)生時的能量傳遞。除此之外，在對隔震裝置進行選擇時，應(yīng)該選擇組成較為簡單的裝置，因為在節(jié)點處采用隔震裝置會對樓層的自震周期造成影響，因此，通常會采用橡膠墊之類的材料或者混合的隔震措施進行處理。相應(yīng)的隔震支座具有較穩(wěn)定的特性以及良好的恢復(fù)能力，在一定程度上起到建筑結(jié)構(gòu)支撐的效果，最大程度上保證建筑的安全。

4.5科學(xué)設(shè)計地基基礎(chǔ)

地基基礎(chǔ)設(shè)計工作過程中，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)當對作業(yè)現(xiàn)場的地質(zhì)等方面的實際情況進行深入了解，利用完善地基基礎(chǔ)設(shè)計的方式，能夠使建筑結(jié)構(gòu)的安全性等得到合理加強。開展設(shè)計工作的過程中，一般采取天然地基、防水板以及錨桿組合的方式開展，并且需要正確測算出基本的配筋數(shù)量，以此加強建筑基礎(chǔ)機構(gòu)的平穩(wěn)性，防止由于承重能力偏差而致使建筑物喪失穩(wěn)定性。如果高層建筑物包含地下室，不妨采取褥墊模式裝置差異化持力層，以此確保地下室結(jié)構(gòu)的承重強度得到實際加強，防止地下室屋頂由于欠缺持力層進一步形成裂縫，降低地基基礎(chǔ)構(gòu)造的總體平穩(wěn)性。

4.6嚴格落實防風(fēng)措施

高層建筑稱收到較大風(fēng)荷載。所以，在設(shè)計超高層建筑時，一定要重視防風(fēng)措施的建設(shè)，尤其是超高層建筑的頂端，超高層建筑的頂端承受的風(fēng)壓最大，可以通過加強梁柱或鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計，來提高超高層建筑的抗風(fēng)性。在建筑設(shè)計的早期階段，針對超高層建筑的具體情況進行分析。根據(jù)當?shù)刈畲箫L(fēng)壓，設(shè)計風(fēng)壓圖，做好風(fēng)壓措施。超高層建筑物的高度影響了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度趨于變?nèi)嶙枘峤档?。建筑形態(tài)的空氣動力學(xué)優(yōu)化，減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載和控制建筑結(jié)構(gòu)的剛度。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)選取適當?shù)钠矫嫘螤睿话愀邔咏ㄖ疾扇【匦纹矫嬖O(shè)計，但是超高層建筑采取矩形結(jié)構(gòu)不利于抗風(fēng)。相對而言，圓形、橢圓形、三角形等是很好的選擇。

4.7科學(xué)總體布局和防火分區(qū)

在設(shè)計總平面圖時，掌握建筑與周邊建筑物的間距和車道，這也是建筑設(shè)計時首要考慮的重要因素之一，合理的平面布置圖，可以有效地緩解救火的壓力，同時對火勢的蔓延和發(fā)展具有阻礙的作用。防火分區(qū)的設(shè)置也能阻止火災(zāi)的繼續(xù)蔓延，防火卷簾門分布到各個防火分區(qū)，每個分區(qū)都要安裝防火門自動開關(guān)設(shè)備，在防火卷簾門安裝時，卷簾與房梁、墻面不得留有縫隙，充分發(fā)揮其防火阻燃的作用，最大限度降低火勢蔓延的速度。

5高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的優(yōu)化對策

5.1完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

建筑類型不同，那么所運用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案也將存在一定的差異性，例如，如若針對多層建筑設(shè)計，設(shè)計人員會通過底部剪力法達到預(yù)期的質(zhì)量控制標準，如若面對底層框架結(jié)構(gòu)，那么則會以雙保險的計算方式，大大提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性與合理性。基于已有的設(shè)計經(jīng)驗，還應(yīng)對設(shè)計結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，采取先進的設(shè)計方案，結(jié)合現(xiàn)階段施行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準，嚴格落實相關(guān)規(guī)范，避免出現(xiàn)質(zhì)量折減的問題，從根本上保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性，并突出抗震設(shè)計的重要地位[4]。

5.2提升建筑結(jié)構(gòu)安全性計算合理性

建筑安全性計算對于建筑整體的安全性可靠性是必要的，設(shè)計方案需要嚴格計算，來找出設(shè)計方案和實際工程施工的偏差，并對應(yīng)改變相應(yīng)的設(shè)計方案。例如在進行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，需要分析建筑所處的地理位置和地面組成情況，根據(jù)安全計算合理選擇合適的建筑方案，選擇抗震能力強的材料，對于混凝土結(jié)構(gòu)，剪力墻和鋼筋等環(huán)節(jié)，相關(guān)設(shè)計人員要重要考慮，深入細節(jié)，充分利用相關(guān)資料和調(diào)研與實驗結(jié)果進行綜合設(shè)計。

5.3提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計思想

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作人員本身務(wù)必提高對抗震設(shè)計方面的重視程度，時刻保持抗震意識，充分考慮各項細節(jié)，達成保證建筑結(jié)構(gòu)總體安全性的工作成效。負責(zé)建筑項目結(jié)構(gòu)規(guī)劃設(shè)計的企業(yè)，不妨按期帶領(lǐng)設(shè)計人員進行專業(yè)技術(shù)的培訓(xùn)工作，在設(shè)計員工完成有關(guān)抗震知識學(xué)習(xí)的前提下，同樣需要針對現(xiàn)階段建筑業(yè)內(nèi)部規(guī)定的抗震標準開展講授，確保設(shè)計人員具備較高的抗震思想，合理推動后續(xù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)工作。另外，應(yīng)當指導(dǎo)設(shè)計人員針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)的細節(jié)開展仔細地核查，創(chuàng)建完整的抗震檢測體制，完成建筑結(jié)構(gòu)抗震性等方面的檢測，全面確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性得到有效提升。

結(jié)束語

為滿足人們對建筑的多樣性功能需求，不規(guī)則的設(shè)計表現(xiàn)形式在當前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中極為常見，以此可達到強化高層建筑綜合設(shè)計靈動性的效果。相比普通建筑來說，這種不規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較高，且對抗震性能有著更高的要求，需相關(guān)人員著重引入多樣性抗震措施，保證結(jié)構(gòu)不規(guī)則高層建筑的質(zhì)量與使用安全。

參考文獻

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[4]沈玲華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)則性的研究與應(yīng)用[J].安徽建筑，2019，26（2）：74-75.

作者簡介：童曉軍（1984一），男，漢族，湖南長沙人，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計C529CF8C-33C2-4BB4-A0C7-20AD51CBF8D0