復(fù)雜不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

徐英雷

【摘 要】 本文概述了建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性設(shè)計(jì)的重要意義，分析了建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的基本類型。最后，根據(jù)工程實(shí)際，針對(duì)性的提出了不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的設(shè)計(jì)措施，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】 建筑結(jié)構(gòu) 不規(guī)則 概念設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)措施

【Abstract】 This paper summarizes the significance of irregularity design on building structure and analyses the basic type of irregular structure. Finally， according to the engineering practice， the proposed improvement measures for irregular structure are put forward. The results could provide a reference for structural design.

【Key words】 building structural irregularity conceptual design design measures

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的提高，越來(lái)越多的建筑物一改單調(diào)、規(guī)則、對(duì)稱的建筑風(fēng)格和建筑結(jié)構(gòu)，追求著不斷創(chuàng)新和獨(dú)樹(shù)一幟的建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格，如“大褲衩”、“小蠻腰”等。非對(duì)稱性和不規(guī)則結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為當(dāng)前城市建筑物的主流和發(fā)展方向[1]。

絕對(duì)規(guī)則且對(duì)稱的建筑物在實(shí)際中幾乎不存在。隨著結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜程度的增大，建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性越來(lái)越大，這種不規(guī)則性對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的判斷，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位。它能直接影響結(jié)構(gòu)的建模、結(jié)構(gòu)布置、薄弱樓層判斷、位移比控制，以及最后的施工圖設(shè)計(jì)。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性的判斷在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中屬于概念設(shè)計(jì)的范疇[2-3]。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來(lái)越重視概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)的合理，可以給以后施工圖設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便。

不對(duì)稱建筑如平面形狀復(fù)雜的L型、T型、勺型等，樓梯間、電梯間偏于平面的一側(cè)或一角的建筑等。但內(nèi)含結(jié)構(gòu)的基本對(duì)稱仍是可能實(shí)現(xiàn)的。主要取決于結(jié)構(gòu)師結(jié)合建筑平面的功能和需要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置，如筒體、剪力墻的合理布置，可以設(shè)法調(diào)整結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心盡量接近，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的基本對(duì)稱。結(jié)構(gòu)的較大不對(duì)稱、不規(guī)則，將引起結(jié)構(gòu)在水平側(cè)力（風(fēng)荷載、地震荷載）作用下產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，不利于荷載結(jié)構(gòu)抗側(cè)力，不利于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如填充墻、幕墻的正常工作，同時(shí)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料成本的較大增加[4]。

因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須盡最大可能將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為對(duì)稱、規(guī)則的形狀，提高整個(gè)建筑物的抗側(cè)移能力，增加建筑結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固度，提高建筑結(jié)構(gòu)的性能，延長(zhǎng)建筑物的安全性和使用壽命。

1 結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、均勻性的表現(xiàn)

（1）建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿兩個(gè)主軸方向的剛度比較接近、變形特性比較相似。這是因?yàn)閷?shí)際的建筑結(jié)構(gòu)都是三維空間，實(shí)際的地震荷載、風(fēng)荷載都具有任意的方向性；建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度比較均勻，就是具有比較良好的抗震抗風(fēng)性能。

（2）建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向斷面、構(gòu)成變化比較均勻、不要突變。這里主要是指主體結(jié)構(gòu)的剪切剛度不要突變。這種均勻的高層建筑可以避免因薄弱層的破壞而引起的結(jié)構(gòu)整體破壞，尤以強(qiáng)震區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)特別注意。

（3）建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置，應(yīng)注意同一主體方向各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度盡量均勻，應(yīng)避免在主體結(jié)構(gòu)布置中某一、二片剛度特別大而延性較差的結(jié)構(gòu)。如長(zhǎng)窄的實(shí)體剪力墻。此時(shí)，即使結(jié)構(gòu)仍滿足對(duì)稱性和剛度的要求，但這個(gè)剛度巨大的結(jié)構(gòu)當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，將首先吸收極大的能量，應(yīng)力特別集中，而容易首先招致破壞，從而引起整體結(jié)構(gòu)的破壞。同一主軸方向的各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度均勻，水平荷載作用下應(yīng)力分布將比較均勻，有利于結(jié)構(gòu)抗震延性的實(shí)現(xiàn)。

（4）建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的水平布置還應(yīng)注意中央核心與周邊結(jié)構(gòu)的剛度協(xié)調(diào)均勻，保證主體結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度，以避免建筑物在地震荷載或風(fēng)荷載的扭矩作用下產(chǎn)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)變形而結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。這是因?yàn)閷?shí)際的建筑平面變化無(wú)窮，特別是相鄰未來(lái)建筑的影響，即使自身對(duì)稱的建筑，風(fēng)荷載仍會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，有時(shí)將超出設(shè)計(jì)控制的范圍。

2 結(jié)構(gòu)不規(guī)則性類型

結(jié)構(gòu)不規(guī)則類型可分為兩類：1）平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型，包含扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凸凹不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)等；2）豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型，包含側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層承載力突變、樓層間質(zhì)量突變等[5]。

2.1 平面不規(guī)則

1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：每一樓層自身最大的彈性水平位移大于該樓層兩端的彈性水平位移平均值的1.2倍，或者是最大的層間位移大于該樓層兩端層間位移平均值的1.2倍。

2）凹凸不規(guī)則：建筑結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)一側(cè)的尺寸大于其投影方向上總尺寸的30%。

3）樓板局部的不連續(xù)：樓板的尺寸以及平面剛度發(fā)生急劇的變化。

2.2 豎向不規(guī)則的類型

1）側(cè)向剛度不規(guī)則：該樓層的側(cè)向剛度值小于與其相鄰上一樓層的70%；或者小于該樓層以上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%；排除頂層不算，樓層局部收進(jìn)的水平向尺寸大于其相鄰下一層的25%。

2）豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)：豎直方向上的抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力通過(guò)水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件而向下傳遞。

3）樓層承載力突變：層間的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪程度小于其上一層的80%。

3 不規(guī)則設(shè)計(jì)的主要措施

震害調(diào)查和試驗(yàn)表明，平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心和抗扭轉(zhuǎn)剛度太弱的建筑結(jié)構(gòu)，受到嚴(yán)重的破壞。為避免破壞，可在整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段采取以下措施：

（1）在初步設(shè)計(jì)階段，通過(guò)初步計(jì)算的結(jié)果找到建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)心、剛心，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較準(zhǔn)確的判斷建筑結(jié)構(gòu)的剛度分布，并再適當(dāng)?shù)脑鰷p距質(zhì)心較遠(yuǎn)的抗側(cè)力構(gòu)件。endprint

（2）減少建筑體的偏心距。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)往往與其相對(duì)偏心距在某種程度上具有一定線性關(guān)系。將建筑物平面位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心更接近。

（3）調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和抗扭剛度比。限制扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比。當(dāng)兩者接近時(shí)。由于振動(dòng)耦連的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與結(jié)構(gòu)周期比的平方的關(guān)系基本上是線性的關(guān)系，可考慮適當(dāng)?shù)臏p小建筑結(jié)構(gòu)的周期。剪力墻結(jié)構(gòu)需在合理范圍內(nèi)盡量加長(zhǎng)或者增厚周邊剪力墻，特別需重視距離剛心最遠(yuǎn)處的剪力墻。

（4）合理增強(qiáng)結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的抗剪能力。

僅靠調(diào)整結(jié)構(gòu)布置來(lái)保證結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震動(dòng)下的安全性是不夠的。一旦出現(xiàn)較大額外力作用，其主體結(jié)構(gòu)就會(huì)受到不可逆的破壞。如果建筑長(zhǎng)期處于非彈性階段，一開(kāi)始有規(guī)則的建筑在受到多重地震作用影響下就會(huì)因變形而出現(xiàn)偏心的問(wèn)題。這時(shí)應(yīng)合理增強(qiáng)周邊邊緣構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度，這樣整體結(jié)構(gòu)即使受到較大的外力作用，仍能在自身彈性恢復(fù)力的影響下，回到正常狀態(tài)。

（5）合理設(shè)置防震縫。對(duì)形狀比較復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)，因條件限制導(dǎo)致不能把結(jié)構(gòu)布置成規(guī)則的結(jié)構(gòu)，可設(shè)置一定的防震縫將結(jié)構(gòu)分成比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元。設(shè)計(jì)中應(yīng)注意兩點(diǎn)：一是如果防震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)并不相同或者對(duì)地震的抗力不同，應(yīng)按照不利一側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置；二是若出現(xiàn)臨近建筑沉降超出限值的情況，應(yīng)建立沉降的防震縫。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的判斷直接影響建筑結(jié)構(gòu)的建模、結(jié)構(gòu)布置、薄弱樓層等，間接影響整體結(jié)構(gòu)的布置是否經(jīng)濟(jì)、合理、安全。結(jié)構(gòu)師設(shè)計(jì)不規(guī)則的建筑物時(shí)，需盡量減小或者避免建筑結(jié)構(gòu)比較容易出現(xiàn)薄弱部位，同時(shí)強(qiáng)化那些薄弱部位。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展應(yīng)用，會(huì)出現(xiàn)更多更好的方法來(lái)確定不規(guī)則計(jì)算結(jié)構(gòu)模型，可以更加真實(shí)的模擬實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬愷澤，劉伯權(quán).高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估方法的研究與改進(jìn)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào).2012，（4）：32-37.

[2]趙麗清.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2007，33（14）：68-70.

[3]夏孔瑜，張曉偉.不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的措施研究[J].建筑知識(shí)，2012，（l1）：52-53.

[4]安志宏.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的研究與應(yīng)用[D].吉林大學(xué)，2004.

[5]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.endprint