高層建筑結構設計中不規則問題與抗震措施分析

顏劍超 （中鐵十一局集團有限公司勘察設計院，湖北武漢430000）

關鍵字：高層建筑；不規則建筑結構；設計；抗震措施；問題

現代城市發展的過程中，涌現出了一系列造型別致的不規則性建筑結構，但是在建筑強調美觀的同時更重要的還是其安全性以及實用性，這種不規則的建筑結構在發展的過程中也因此遇到了一些問題，需要相關設計人員細心的分析各種因素并且找出相關結構的薄弱點，對整體結構的剛度進行合理的布置，以滿足建筑的實際需求。

1 現代高層建筑中不規則結構設計的相關特點

1.1 豎向的不規則性

在建筑設計中常見的不規則結構是豎向不規則類型，關于豎向不規則的建筑結構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力以及豎向側壓力的不規則性產生的內力，通過水平方向的轉換構建向下傳遞；第二種，樓層之間的相關質量突變，相鄰兩個樓層之間的質量大于下一個樓層質量的1.5倍，作為相應的判斷標準[1]；第三種，側向剛度不規則的情況以該樓層的側向剛度值小于該樓層以上相鄰三個樓層的側向剛度平均值的80%，除掉頂層的相關樓層布局所收進的水平向尺度應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向剛度的70%作為相應的判斷依據。

1.2 平面的不規則性

在現代的高層不規則建筑結構的設計中除了具有豎向不規則性之外，還有常見的平面不規則性的建筑結構。其中，凹凸不規則這一類型是根據建筑結構面凹進去的一側尺寸，大于實際投影方向上總尺寸的百分之三十作為實際的判斷標準。樓板局部的不規則也是平面不規則的一種類型，主要是根據樓板的尺寸大小以及平面剛度所發生的急劇變化作為相應的評判標準。而扭轉不規則這一類型，主要是表現在每一層樓所產生的最大彈性水平移位是整棟樓層的兩端層間移位平均值的1.2倍。

2 不規則結構設計中存在的問題

不規則建筑結構會產生較大的扭轉力，這本身就對建筑的整體結構存在著一定程度上的影響[2]。例如，對于房屋的高寬比方面，因為一些建筑的功能需求，下部分的通常會設計成大空間的結構，而上部分的隔墻等結構較多，使得上下兩部分的剛度有著較大的差距，為了保證建筑的質量安全，需要相關設計人員結合實際情況，對其進行調整，設計出合適的房屋寬度以及高度比。

3 不規則結構問題在抗震設計中的相關注意要點

3.1 材料的選擇以及結構體系的設計

在地震發生時強大的作用力會對建筑造成影響，而隨著建筑高度的增加其影響因素也隨之不斷地變化，對建筑結構造成的破壞也會隨之提升，因此，我國將相關的高層建筑進行了分類，與此同時對于一些抗震結構的相關設計對于建筑結構的高度也做了明確的限制。

3.2 結構高度方面的問題

除了結構設計會對抗震效果造成影響之外，在實際的施工作業中建筑的高度問題以及對于材料的選擇也是十分重要的工作任務。在常見的高層建筑中，結構體系以及相對應的結構材料在一定程度上影響著建筑的強度。在不斷的探索創新的過程中，相關工作人員也發現了不少抗震性能較好的結構材料以及體系。在設計過程中對于一些地震多發的地帶通常會采用鋼結構進行建設，而其他的一些地區則會使用鋼筋混凝土與鋼結構的混合結構進行施工作業。除此之外，為了規范材料以及結構體系的選擇我國對其做出了明確的規定，對房屋結構的最大適用高度進行了明確的規定，這一點應該引起設計人員的高度重視。

3 建筑的相關形體

傳統的、較為簡單、對稱的建筑形體，在發生地震時工作人員可以很容易的對建筑結構進行估計，進而可以及時的采取相應的預防措施以及相關的細節部分處理。而不規則建筑結構組成的一類較為復雜的建筑形體在地震發生時的估計是很難掌握的。因此，在進行不規則結構部分的抗震設計時，需要相關設計人員對建筑的形體進行合理的布置并結合相應的抗震性以及經濟合理性的相關影響等多個方面擇優選取相應的形體。

4 在高層建筑不規則結構中抗震的相關應用措施

4.1 平面樓板不規則結構中的抗震措施分析

在建筑施工過程中結構內部的非彈性性能可以在一定程度上降低地震對建筑的損害，但是在不規則結構中的非彈性行為主要集中在不規則的區域，導致結構內部很容易造成破壞進而引起一系列不好的影響。設計師在建筑設計中引進不規則特性時，由于進行準確的預估，導致在結構設計中所使用的彈性設計方法不能較好的預測出地震發生時不規則結構的相關受力情況，進而導致不規則結構部分在設計中存在著一定的缺陷。平面不規則結構在實際應用過程中的抗震效果較差，當地震發生時會因此受到損傷。例如，如圖1所示，在對地下室進行設計時，為了增加防震效果，可以選用180mm的樓板并且在樓面配置雙層雙向，配筋率為0.25%的鋼筋，在施工過程中還需要根據相關的規定進行加固。在進行框架梁、次梁以及暗梁等部分的設計時，可以將暗梁的寬度設計成墻寬，將其嵌入到框架柱之間的剪力墻中，該暗梁參與結構的整體計算并且應該按照框架梁進行計算配筋。在核心筒區域的剪力墻設置相應的邊框暗梁且該部分結構需要按照抗震構造進行配筋。除此之外，為了提升樓板整體的抗震能力，對于一些樓板削弱區域可以適當地采用180mm厚度的樓板進行施工，而其他部位的板厚需要在該部分區域的基礎上分別增加30mm。扁梁結構上部縱筋直錨入樓板內部，并且錨固長度應該按照相關的抗震標準固定在樓板邊緣。

圖1 地下室施工

4.2 綜合多種因素選擇合適的建筑場地

合理的建筑場地可以有效地降低后期建設的不良影響，從而在一定程度上節約工程項目的造價，因此在進行抗震設計時對于高層建筑的場地選擇是十分重要的。為了減少地震發生時可能對周圍環境以及建筑結構造成的影響，場地應該選在較為平坦的地方，在高層建筑工程施工時，為了有利于施工的進行并且進一步提升抗震能力，應該盡量選擇建筑較為疏松的地段。

4.3 注意在建筑的節點處設置相應的隔震裝置

在地震發生時由于地震本身所具有的能量，導致會從建筑的底部一致向頂端產生沖擊，特別是不規則的建筑結構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，可以在建筑的關鍵節點部位設置相應的隔震裝置，來減輕地震發生時的能量傳遞。除此之外，在對隔震裝置進行選擇時，應該選擇組成較為簡單的裝置，因為在節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。相應的隔震支座具有較穩定的特性以及良好的恢復能力，在一定程度上起到建筑結構支撐的效果，最大程度上保證建筑的安全。

4.4 根據實際情況調整建筑相關結構的剛度大小

為了更好地提升不規則建筑結構的防震能力，相關設計人員應該結合實際情況對建筑相關結構的剛度大小進行適當的調整。如果發現建筑結構出現受力不均勻的情況，那么設計人員在進行剪刀墻的設計過程中，就需要通過調節墻體的大小以及長度來對結構的受力進行調整。除此之外，如圖2所示在施工過程中通過改善建筑主體結構邊緣裝置柱的方式來調節邊緣連梁值的大小，可以在一定程度上減低高層主題結構相應的自震周期，并對建筑結構的相關剛度起到調節作用。

圖2 剪力墻結構施工

4.5 對不規則部件進行合理布局

為了盡量減少施工過程中意外事故發生的可能性，在建筑設計這一環節需要對不規則部件進行合理的安排布置，從而避免由于不規則部件散亂排布而出現的較大幅度的扭轉效應。除此之外，為了盡量保證建筑結構之間的穩定性，需要適時地對偏心距做出合理的調整，進而改變平面的整體分布情況以及機構的空間分布情況[4]。相關設計人員還應該加強建筑邊緣的相關結構的抗剪強度，從而最大程度上降低外力因素對建筑結構的破壞。當高層建筑在受到雙向水平的地震作用后，在后續的彈性期間會導致建筑結構相應的形態因為回彈而不發生變化，但是在非彈性期間會發生形態變化而造成偏心的現象出現，使整個結構處于受力不均勻的狀態下，為了實現更好的結構分布效果，應該適當的加強建筑邊緣的結構強度，減少外力對其的不利影響。

5 結語

隨著城市現代化進程的不斷加快，國家的經濟水平有了一定的提高，從長遠的角度出發，為了促進國家的健康持續發展建筑設計是城市的一面旗幟，兩者之間有著密不可分的關系，在城市規劃過程中的相關建筑設計有著較為深遠的意義，為此高層建筑中的不規則性是符合時代發展的必然選擇。相關設計人員應該仔細考慮各項因素，在設計過程中要考慮到結構的質量安全，盡量減少整體結構出現偏差的現象，進而推動建筑行業的進步。