探析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性

何子興

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的大幅提升，人們思想觀念的不斷更新，嚴(yán)格意義的規(guī)則建筑已經(jīng)很難見到，代之而起的是大批新穎別致、標(biāo)新立異、張顯個(gè)性的建筑物。各地大量涌現(xiàn)的現(xiàn)代新型建筑物幾乎都是不規(guī)則或很不規(guī)則的，它們的出現(xiàn)既給城鎮(zhèn)建設(shè)帶來了嶄新的面貌，又給工程設(shè)計(jì)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，分析了與高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的相關(guān)問題，提出了高層建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的措施。

關(guān)鍵詞：高層建筑；平面不規(guī)則性；措施

1.不規(guī)則性在高層建筑結(jié)構(gòu)的概述

從古至今，建筑主體隨著時(shí)代的變遷發(fā)展成多種樣式的變化，而建筑物的對(duì)稱性一直是建筑物主體的核心部分。所謂建筑的對(duì)稱性是指建筑物中抗側(cè)力的肢體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱。每座建筑物的建造都是由專業(yè)工程師進(jìn)行嚴(yán)格精確的計(jì)算和平面設(shè)計(jì)功能相互輔助，合理布置使建筑物結(jié)構(gòu)在最大程度上對(duì)稱。建筑結(jié)構(gòu)的不規(guī)則和不對(duì)稱，在水平側(cè)力的作用下，建筑物的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生扭曲變形、荷載能力下降，而非結(jié)構(gòu)異常工作，使其加大了結(jié)構(gòu)的成本。結(jié)構(gòu)不規(guī)則主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是結(jié)構(gòu)為斜向的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)；二是結(jié)構(gòu)不對(duì)稱和質(zhì)量不規(guī)則。而這就導(dǎo)致質(zhì)心與剛新出現(xiàn)嚴(yán)重的偏離，進(jìn)而將結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。

當(dāng)應(yīng)力過于集中時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱性，尤其是在應(yīng)力集中部位的結(jié)構(gòu)受到較大水平力作用時(shí)，其受到的損壞十分嚴(yán)重。建筑物的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布置、施工建造、以及建成，對(duì)建筑物施工前的數(shù)據(jù)計(jì)算與分析，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的布置以及位移比等都是影響建筑整體結(jié)構(gòu)因素。為使建筑結(jié)構(gòu)布置的更加經(jīng)濟(jì)、合理、安全，設(shè)計(jì)師對(duì)建筑的設(shè)計(jì)不能只靠概念設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)實(shí)際運(yùn)用使不規(guī)則建筑調(diào)整為規(guī)則建筑。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)存在的不規(guī)則性的種類

高層建筑結(jié)構(gòu)存在的不規(guī)則性的種類主要可以分為兩類：第一種，平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型，這其中還包含了扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸面不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)等等。第二種，豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)類型，這其中又包括側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)不連續(xù)、樓層承載力突變、樓層間質(zhì)量突變等等。下面，就介紹一些比較常見的可以判斷兩種不規(guī)則類型標(biāo)準(zhǔn)的具體辦法。

2.1豎向不規(guī)則的類型

一般來說，豎向不規(guī)則的類型，首先是指?jìng)?cè)向剛度的不規(guī)則，檢測(cè)的辦法一般就是此樓層的側(cè)向剛度值不能超過臨近上層的十分之七；其次是在豎直方向上，它的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力分布不連續(xù)，檢測(cè)的方法一般是結(jié)構(gòu)受力，他主要是依托水平設(shè)施來傳導(dǎo)的；再次就是樓層的承載力出現(xiàn)了比較大的波動(dòng)，它的測(cè)量方法就是層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)承載程度能高于它上一層的五分之四；最后就是樓層之間出現(xiàn)的重力大幅度存在變化，它的測(cè)量方法就是某一樓層的重量高出下層重量的百分之一百五。

2.2平面不規(guī)則的類型

平面不規(guī)則的類型一般分為三種：一是扭轉(zhuǎn)程度的不規(guī)則，它的測(cè)量方法就是每層樓之中最大的層間位移值要高出平均位移值的百分之一百二十；二是平面凹凸的不規(guī)則，測(cè)量辦法就是整體結(jié)構(gòu)凹陷一側(cè)的長(zhǎng)度與總長(zhǎng)度的比例不能超過零點(diǎn)三；三是樓板局部的不連續(xù)，他的測(cè)量方法就是樓板的長(zhǎng)度和平面剛度不能出現(xiàn)較大幅度的變化。

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)過程中所要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

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達(dá)到目的。

3.3在結(jié)構(gòu)中加設(shè)防震縫來減小地震造成的破壞

現(xiàn)代建筑工程中越來越多的出現(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.高層建筑的不規(guī)則建筑的發(fā)展趨勢(shì)

隨著國(guó)家的發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步明顯增快，科技水平的不斷提高，許多大中小城市都在不斷的擴(kuò)建與改造，設(shè)計(jì)師們也為了更好的融洽當(dāng)今社會(huì)，順應(yīng)時(shí)代的召喚和城市多元化的發(fā)展，他們?cè)趥鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，嘗試了更多的挑戰(zhàn)。隨著城市的發(fā)展與建設(shè)的不斷更新，城市中的建筑也要求獨(dú)具一格、別出心裁，建筑物的復(fù)雜性和不規(guī)則性已成為現(xiàn)在城市建筑的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及國(guó)家相關(guān)法律條文規(guī)定，建筑物的設(shè)計(jì)與建造應(yīng)使建筑物對(duì)稱與規(guī)范，保證建筑物建造完工后不會(huì)因?yàn)槭苄毕騻?cè)力的影響致使建筑物整體結(jié)構(gòu)及安全帶來影響。這不僅是對(duì)建筑行業(yè)的一個(gè)挑戰(zhàn)，更是對(duì)設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)，在遵守國(guó)家的法律條文的同時(shí)，建筑行業(yè)對(duì)自身的強(qiáng)化與人員的培訓(xùn)有著重要的意義。對(duì)不規(guī)則建筑的設(shè)計(jì)與計(jì)算也是現(xiàn)今建筑行業(yè)中最突出的問題。如今已有的不規(guī)則建筑已成為城市中的一道亮麗的風(fēng)景線，例如有鳥巢、水立方、長(zhǎng)城飯店以及希爾頓飯店等等。

5.結(jié)語(yǔ)

總而言之，相對(duì)規(guī)則建筑而言，高層不規(guī)則性建筑的設(shè)計(jì)和施工對(duì)安全性、競(jìng)技性、合理性提出了更高的要求。因此，建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行高層不規(guī)則性建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮建筑物的薄弱構(gòu)件環(huán)節(jié)，不斷提高、強(qiáng)化控制手段，為高層不規(guī)則性建筑的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。

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