高層建筑中不規(guī)則性結(jié)構(gòu)設(shè)計的要素研究

在建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中理想的絕對規(guī)則、對稱的建筑物幾乎上是不存在的。平面凸凹不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、不規(guī)則、豎向剛度不連續(xù)性、不規(guī)則屬于平面不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文就高層建筑中不規(guī)則性結(jié)構(gòu)設(shè)計的要素進(jìn)行了論述

一、荷載的傳力直接

荷載的傳力直接是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要素之一。它的含義是使建筑物所受到的荷載能夠通過最簡捷明快的方式和途徑從荷載的作用點傳遞到最終持力點。

（一）垂直荷載的傳力直接；

垂直荷載是建筑物的自身和其樓、屋面的使用活荷載，北方地區(qū)包括屋面的雪荷載。它是建筑結(jié)構(gòu)所承受的最基本荷載，長期作用在建筑物上。垂直荷思的傳力通常是指由樓屋蓋梁板垂直荷載的受力點通過樓屋面板、梁將垂直荷載傳遞到豎向構(gòu)件墻、柱、而后由墻柱逐層傳遞到基礎(chǔ)。這里要注意的是：

1樓面蓋梁系的布置，應(yīng)盡量使垂直荷載以最短的路徑傳遞到豎向構(gòu)件墻、柱上去。必須清醒的是，在正常工作條件下，垂直荷載并不以人為的計算假定來傳遞轉(zhuǎn)移，而是根據(jù)實際結(jié)構(gòu)布置中，構(gòu)件的豎向剛度來傳遞和轉(zhuǎn)移，既剛度大的構(gòu)件將比剛度小的構(gòu)件接受更多的荷載，這是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中尤需注意的，以免失誤。

2豎向構(gòu)件的布置，應(yīng)盡量使豎向構(gòu)件在垂直荷載作用下的壓應(yīng)力水平接近均勻，以避免豎向構(gòu)件之間壓應(yīng)力的二次轉(zhuǎn)移，這點同樣可以應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)計中。要注意使基礎(chǔ)反力水平接近、剛度均勻。

3轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)的布置，應(yīng)盡量做到使上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳來的垂直荷載通過轉(zhuǎn)換層一次至多二次轉(zhuǎn)換即能傳遞到下部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件上去。這就要求在進(jìn)行帶轉(zhuǎn)換層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，建筑師、結(jié)構(gòu)工程師要密切配合，上部、下部建筑結(jié)構(gòu)要貫穿一體整體考慮設(shè)計，不能顧此失彼、互補相干。一個好的建筑設(shè)計必然也是一個好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，它們之間的完美統(tǒng)一才是最終目標(biāo)。那種將上下兩部分建筑結(jié)構(gòu)截然分開，依賴于“厚板”的轉(zhuǎn)換設(shè)計概念即不經(jīng)濟(jì)也不合理，給結(jié)構(gòu)也帶來了隱患。

（二）水平荷載的傳力直接；

風(fēng)荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常承受的重要水平荷載。從整體上來說，高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下要滿足結(jié)構(gòu)頂點水平位移、層間水平位移的一定的限值要求，避免因整體結(jié)構(gòu)過大的側(cè)向變形對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的附加效應(yīng)和引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件填充墻、幕墻、電梯的破壞，從而影響建筑的正常使用。同時高層建筑結(jié)構(gòu)通常還要滿足風(fēng)震加速度的一定限值要求，避免因振動過大，使建筑物中的人們生活、工作不舒適，影響建筑物的使用。風(fēng)荷載常是首先作用在建筑物表面的墻體、門窗等建筑配件上，再傳遞到樓屋蓋及周邊豎向構(gòu)件，而后通過整體結(jié)構(gòu)逐層下傳遞到基礎(chǔ)，因此，直接受風(fēng)荷載的建筑垢配件首當(dāng)其沖，它們要計及局部風(fēng)壓增大的效應(yīng)，要具有足夠的強(qiáng)度、剛度來承受直接的風(fēng)荷載作用。

地震荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)必須要考慮所發(fā)生的另一個重要水平荷載。地震荷載是由于地面運動（地震）而引起地面以上建筑結(jié)構(gòu)受迫振動產(chǎn)生的動力荷載。地震作用實際上是一種慣性力。由于地震波引起房屋基礎(chǔ)下的土體的晃動，繼而致使房屋的上部結(jié)構(gòu)發(fā)生搖晃和顛簸，使結(jié)構(gòu)自身受到了力的作用。這種力的作用，就稱為地震作用。

鑒于地震波在土體中的傳播特性，地震作用有水平方向和豎向方向兩種，而對高層建筑結(jié)構(gòu)影響大的，是水平方向的地震作用或稱為水平地震作用。所以在設(shè)計中要考慮水平地震作用，只有在9度設(shè)防的高裂度區(qū)，才同時又考慮豎向地震作用。事實上，地震是個動力作用施于結(jié)構(gòu)的過程，故在理論上，以時程分析法來反映地震作用對結(jié)構(gòu)的影響，是比較合適的，但應(yīng)用繁瑣。水平方向的地震作用雖然以水平荷載的形式出現(xiàn)，但它與風(fēng)荷載多有區(qū)別而不可替代。這是因為：

l）風(fēng)荷載是直接施加于建筑屋表面上的壓力，而地震作用卻是由于質(zhì)量受震動而引發(fā)的慣性力。因此，風(fēng)荷載只和建筑物的體型、高度、環(huán)境（地面粗糙度、地貌、周圍的群樓），受風(fēng)面積大小等有關(guān)；而地震作用與建筑物的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)自身的性能、地震烈度、場地土特性有關(guān)；減輕重量與減少剛度，均2）風(fēng)荷載的作用時間長，有時甚至可達(dá)數(shù)小時，發(fā)生的機(jī)遇、頻率也多，因而要求結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下，不能出現(xiàn)較大的變形、結(jié)構(gòu)自身和裝修、非承重構(gòu)件等不容許出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性工作狀態(tài)；相反，發(fā)生地震的機(jī)遇少，萬一發(fā)生地震，它的持續(xù)時間也很短，一般為幾秒或幾十秒，但作用劇烈。

地震荷載和風(fēng)荷載一般都主要表征為水平荷載。高層建筑結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載主要依靠其空間整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。水平荷載的傳力直接的含義是：

1）整體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)必須體系明確、傳力直接，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)一般由框架、剪力墻、筒體、支撐等組成，它們宜盡量貫通連續(xù)，若它們沿豎向要有變化，則變化要緩慢均勻。

2）作為一個實際的高層建筑結(jié)構(gòu)，其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)通常是一個三維空間結(jié)構(gòu)，為要使此空間結(jié)構(gòu)中各部分抗側(cè)力結(jié)構(gòu)都能有效參加抗側(cè)力工作發(fā)揮作用，最基本的要求是樓屋蓋要具有一定的剛度和強(qiáng)度，以能可靠有效傳遞水平力，協(xié)調(diào)空間結(jié)構(gòu)中各部分抗側(cè)力結(jié)構(gòu)工作。

二、結(jié)構(gòu)的合理剛度。

1樓屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度合理，主要是指樓屋蓋梁板斷面尺寸選擇合理、布置適當(dāng)。樓屋蓋結(jié)構(gòu)剛度過小，梁板變形過大，影響美觀，也容易造成地面裝修、填充墻、門窗損壞，且容易在人行、設(shè)備運行時引起振動，影響設(shè)備正常運行和人們正常工作生活；樓屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度過大，梁板斷面大，結(jié)構(gòu)自重增加，結(jié)構(gòu)占據(jù)的空間過大，也影響建筑使用，同時將增加建筑物的成本。

2主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度合理是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)之可以使地震作用降低。

首先主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度要滿足規(guī)范規(guī)定的水平位移、整體剛度、強(qiáng)度延性的要求，保證高層建筑結(jié)構(gòu)能正常工作，這是高層建筑結(jié)構(gòu)主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度的下限值，必須滿足。但是，特別要指出的是，高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度不宜過大，應(yīng)該合理。

三、建筑空間的利用

結(jié)構(gòu)尤其是高層建筑在一個建筑中必定占據(jù)一定的空間。結(jié)構(gòu)如何和建筑巧妙的結(jié)合，為建筑創(chuàng)造盡量更多的有效的使用空間，也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)之一。扁梁框架、寬扁梁框架在高層建筑結(jié)構(gòu)中的合理利用，有效地提高了建筑空間和使用空間，降低了建筑層高，改變了結(jié)構(gòu)的延性，具有明顯的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，是高層建筑空間利用的一個好典型。近年來在筒體和整體結(jié)構(gòu)高寬比很大的高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)中，利用避難層、設(shè)備層設(shè)置剛性加強(qiáng)層，在筒體和面廣量大的樓面框架梁尺寸并沒有過多增大的情況下，有效提

高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，滿足了建筑、結(jié)構(gòu)的使用要求，保證了建筑平面使用系數(shù)和建筑使用空間，是建筑空間利用的又一個好典型。

1唐興榮《高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工》。北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002

2趙兵陳首《如何進(jìn)行地下室剛度的正確計算.》上海：PKPM新天地，2004.2

3龔思禮《建筑抗震設(shè)計手冊》北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002。

作者簡介：李默，男 ，河北省石家莊市井陘縣天長鎮(zhèn)，1988年4月15日， 上?？Ｔ唇ㄖO(shè)計有限公司河北設(shè)計院，助理工程師評工程師。