淺議高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不規(guī)則性

孫瑞方 馬國(guó)峰 李芳

【摘要】本論文從當(dāng)代建筑業(yè)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱、不規(guī)則提出更高更嚴(yán)的現(xiàn)狀入手，分析了高層建筑中不規(guī)則性結(jié)構(gòu)的類型，同時(shí)提出了在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)所需要采用的對(duì)策。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；不規(guī)則性；偏心距；抗扭效應(yīng)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們生活水平的日益提高，人們對(duì)物質(zhì)外觀、精神文化的需求也在不斷加強(qiáng)，在審美觀的全面提升下，當(dāng)代高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也從以前的規(guī)則性、對(duì)稱性逐步轉(zhuǎn)向不規(guī)則性、不對(duì)稱性。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不規(guī)則性可能會(huì)影響高層建筑的結(jié)構(gòu)布局、位移比的控制、架空樓層或薄弱樓層設(shè)計(jì)、施工圖的設(shè)計(jì)等，因此需從經(jīng)濟(jì)性、安全性、合理性的角度出發(fā)準(zhǔn)確判斷并分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不規(guī)則性功能和位置，以最大程度的增加建筑物的各種結(jié)構(gòu)性能。

1、我國(guó)高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀

經(jīng)濟(jì)全球化與科學(xué)技術(shù)高新化進(jìn)程在不斷加深，我國(guó)各行各業(yè)也在不斷進(jìn)步與發(fā)展，近些年來(lái)，我國(guó)房地產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭較為迅猛，許多大中小城市都在不斷的擴(kuò)建和改造，而建筑設(shè)計(jì)者也為了順應(yīng)時(shí)代的召喚和城市建設(shè)的多元化發(fā)展，他們漸漸改變了建筑物務(wù)必規(guī)則與對(duì)稱的傳統(tǒng)觀念，更多的嘗試去設(shè)計(jì)一些不規(guī)則、不對(duì)稱的多樣化、標(biāo)新立異結(jié)構(gòu)的建筑物?，F(xiàn)代人們的觀念也在逐漸的改變，各大城市中已經(jīng)出現(xiàn)了很多不規(guī)則的復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑物，這是我國(guó)乃至全球范圍內(nèi)建筑行業(yè)今后的發(fā)展方向。另一方面，盡管不規(guī)則和不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的建筑物使城市更加美麗和繁華，但其設(shè)計(jì)和建造無(wú)不考驗(yàn)著設(shè)計(jì)人員和建筑施工人員，這也對(duì)他們提出了更高更嚴(yán)的要求。

2、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分類

高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要可以分為兩大類：其一是豎直方向建筑物的不規(guī)則的結(jié)構(gòu)類型，比如豎向抗側(cè)力部分構(gòu)件的不連續(xù)、側(cè)向剛度結(jié)構(gòu)不規(guī)則、樓層架空層使其質(zhì)量與承載力均發(fā)生突變等等；其二是平面方向不規(guī)則的結(jié)構(gòu)類型，比如樓板局部由于反梁結(jié)構(gòu)突起出現(xiàn)的不連續(xù)、廚房及衛(wèi)生間降板使樓板凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的不規(guī)則等等。

2.1 豎直方向建筑物的不規(guī)則

2.1.1 豎向抗側(cè)力部分構(gòu)件的不連續(xù)

高層建筑物中豎向抗側(cè)力部分構(gòu)件不連續(xù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)即在豎直方向上的部分抗側(cè)力構(gòu)件自身的內(nèi)力借助水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件使之向下傳遞。

2.1.2側(cè)向剛度結(jié)構(gòu)不規(guī)則

高層建筑物中側(cè)向剛度結(jié)構(gòu)不規(guī)則的判斷依據(jù)是本樓層中側(cè)向剛度取值是否小于本樓層上面一層該值的百分之七十，或者小于本樓層上面相鄰的三個(gè)樓層該值平均值的百分之八十，那么除去頂層不計(jì)算，則樓層局部收進(jìn)的水平方向數(shù)值不小于與本層相鄰下一層的百分之二十五。

2.1.3 樓層質(zhì)量以及承載力的突變

高層建筑物樓層之間是否質(zhì)量突變，其判斷標(biāo)準(zhǔn)是本樓層的質(zhì)量大于與其相鄰的下面一個(gè)樓層質(zhì)量的二分之三倍。而判斷承載力是否突變的標(biāo)準(zhǔn)是樓層之間的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)抗剪力數(shù)值小于與其相鄰的上一層該值的百分之八十。

2.2 水平方向建筑物的不規(guī)則

2.2.1 樓板局部產(chǎn)生不連續(xù)

高層建筑物樓板局部產(chǎn)生不連續(xù)的判斷依據(jù)是本層樓板設(shè)計(jì)尺寸與平面剛度是否發(fā)生急劇突然的變化。

2.2.2樓板凹凸不規(guī)則

高層建筑物樓板凹凸不規(guī)則主要是判斷其結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)一側(cè)（如廚房、衛(wèi)生間的降板）尺寸會(huì)大于該樓板投影方向上面總尺寸的百分之三十。

2.2.3 樓板扭轉(zhuǎn)不規(guī)則

高層建筑物樓板扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的判斷依據(jù)是本樓層彈性水平位移的最大值要大于其兩端處彈性水平位移的平均值的1.2倍，亦或是本樓層最大的相鄰層間位移要大于其兩端處的層間位移的平均值的1.2倍。

3、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的對(duì)策

高層建筑物在地震的時(shí)候較易遭受破壞的一些結(jié)構(gòu)大多都是平面不規(guī)則性結(jié)構(gòu)，同時(shí)建筑物的剛度偏心、質(zhì)量、承載力以、抗扭轉(zhuǎn)剛度過(guò)于脆弱的建筑結(jié)構(gòu)，其中，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)于建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞是最為嚴(yán)重的，那么，在工程設(shè)計(jì)的時(shí)候就有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)的相關(guān)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行有效控制與限制，例如可以盡量對(duì)建筑物設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)平面上的不規(guī)則進(jìn)行控制，這就能夠防止較大偏心的出現(xiàn)，進(jìn)而使得建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；另外，還可以在一定的條件下盡量增強(qiáng)高層建筑物設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，抑制其太脆弱而產(chǎn)生破壞。因此，有效研究減少建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的對(duì)策就成為設(shè)計(jì)過(guò)程中所要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

3.1 提高建筑物抗扭構(gòu)件的抗剪力

高層建筑物的抗震設(shè)計(jì)就是達(dá)到建筑物在地震時(shí)安然無(wú)恙的效果，這單單依靠結(jié)構(gòu)布局的調(diào)整是不夠的，由于建筑物結(jié)構(gòu)在非彈性時(shí)期內(nèi)，對(duì)稱、規(guī)則的結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)殡p向水平的震動(dòng)作用產(chǎn)生形態(tài)變化進(jìn)而出現(xiàn)偏心現(xiàn)象，那么考慮結(jié)構(gòu)本身的抗震性能就可以來(lái)強(qiáng)化建筑物中受抗扭效應(yīng)制約的結(jié)構(gòu)的抗剪性能，這樣就可保證建筑物在地震的時(shí)候還會(huì)處于整體彈性的狀態(tài)。

3.2 控制高層建筑物結(jié)構(gòu)的抗扭剛度與抗側(cè)剛度之比

由于高層建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和結(jié)構(gòu)周期之比的二次方趨于一種線性的關(guān)系，那么在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要想方設(shè)法的減小其結(jié)構(gòu)周期。比如說(shuō)在設(shè)計(jì)樓層剪力墻時(shí)，要在條件允許的情況下加厚或加長(zhǎng)相鄰的剪力墻，尤其是要注重距離剛心比較遠(yuǎn)的剪力墻。通常使建筑物結(jié)構(gòu)中抗扭剛度加大的方法是在相應(yīng)構(gòu)件上增設(shè)拉梁，并且盡量縮短其結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期，另外也可以加大相鄰連梁剛度來(lái)達(dá)到目的。

3.3 在結(jié)構(gòu)中加設(shè)防震縫來(lái)減小地震造成的破壞

現(xiàn)代建筑工程中越來(lái)越多的出現(xiàn)一些復(fù)雜的各類建筑結(jié)構(gòu)，這都是由于實(shí)際條件限制而使得無(wú)法將平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成規(guī)則或是對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，這時(shí)就有必要設(shè)置規(guī)范的防震縫來(lái)把結(jié)構(gòu)分解成相對(duì)簡(jiǎn)單的單一結(jié)構(gòu)個(gè)體，其中還要注意在設(shè)置抗震縫的過(guò)程中，若兩側(cè)的構(gòu)件體系差異較大或者對(duì)震動(dòng)反應(yīng)表現(xiàn)不同之時(shí)，那么抗震縫的設(shè)計(jì)寬度就要更多的考慮薄弱一側(cè)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件；而當(dāng)結(jié)構(gòu)相鄰的建筑構(gòu)件基礎(chǔ)沉降量比較大的時(shí)候，也可增設(shè)兼做沉降縫的建筑抗震縫。

3.4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的偏心距減小

科學(xué)研究表明在一定條件下，高層建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的偏心距和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)呈線性關(guān)系，那么可以控制建筑物結(jié)構(gòu)在平面上的布置，讓其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心最大程度的接近，這樣就能有效的減小樓層之間的位移比，進(jìn)而改善建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在工程實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了使結(jié)構(gòu)偏心距盡量減小，首先就要進(jìn)行準(zhǔn)確的初步計(jì)算，在找到結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心后加以分析，并調(diào)整整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)在平面布置上的不對(duì)稱和不規(guī)則性，與此同時(shí)，還要運(yùn)用有關(guān)數(shù)據(jù)和條件，加之實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷出建筑物平面結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度分布，以便能夠有效增減偏離質(zhì)心的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

4、小結(jié)

高層建筑物的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了不影響建筑后續(xù)的建模、布置、施工，就要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性合理判斷，這樣才能確認(rèn)建筑設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、合理性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要重點(diǎn)考慮建筑物的薄弱樓板或構(gòu)件，在強(qiáng)化的同時(shí)不斷控制減小，這也是今后高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)不規(guī)則性研究所要解決的重要問(wèn)題。

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