高層建筑結(jié)構(gòu)設計不規(guī)則性的研究與應用分析

王海波

摘要： 現(xiàn)階段，隨著城市化進程的進一步推進，高層建筑尤其是不規(guī)則高層建筑大量出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)設計中經(jīng)常出現(xiàn)不規(guī)則性質(zhì)，極大程度上影響了現(xiàn)代高層建筑設計，使得建筑結(jié)構(gòu)時需要具備更高的分析要求和更復雜的分析精度，文本主要分析了發(fā)展現(xiàn)狀，基本結(jié)構(gòu)，以及實際應用不規(guī)則性的情況，為進一步研究和分析高層建筑提供依據(jù)和參考。

Abstract： At present， with the further advance of urbanization， high-rise buildings， especially the irregular high-rise buildings have teemed. The irregularity in the structure design has largely affected the modern high-rise building design， requiring higher analysis demand and more complex analysis precision. This article mainly analyzes the current situation， basic structure， as well as the practical application of irregularity， which provides basis and reference for further research and analysis of high-rise building.

關鍵詞： 高層建筑；結(jié)構(gòu)設計；不規(guī)則性；研究與應用

Key words： high-rise buildings；structure design；irregularity；research and application

中圖分類號：TU973 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0107-02

0 引言

在設計高層建筑結(jié)構(gòu)的時候，因為會受到多種因素的影響，導致建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)不規(guī)則性，主要就是體現(xiàn)在局部樓板不規(guī)則、豎向自身剛度不規(guī)則以及凹凸不規(guī)則等，所以，在實施設計建筑結(jié)構(gòu)的時候，需要準確判斷設計建筑不規(guī)則性，保證建筑的安全性和穩(wěn)定性，高層建筑設計不規(guī)則性不但能夠提供良好視覺效果，也能影響建筑整體安全性，因此，在設計建筑結(jié)構(gòu)的時候，需要高度重視不規(guī)則性，完全設計建筑結(jié)構(gòu)的效果和作用。

1 高層建筑不規(guī)則性的發(fā)展現(xiàn)狀

伴隨著不斷發(fā)展科學技術(shù)以及國家經(jīng)濟，開始大力發(fā)展建筑行業(yè)，為了能夠滿足市場需求以及城市化發(fā)展進程，設計人員在設計建筑結(jié)構(gòu)的時候，需要不斷更新和改變設計理念，從傳統(tǒng)的對稱設計規(guī)則和理念變?yōu)槎鄻?、新穎、獨特的建筑設計風格，如不對稱、不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)，因為不斷改變的思維意識，越來越多出現(xiàn)復雜外形的設計結(jié)構(gòu)，不規(guī)則的高層建筑形式，基于此，未來高層建筑發(fā)展方向就是不規(guī)則設計，雖然不規(guī)則設計方式能夠極大程度提高建筑美感度，但是會在一定程度上提高建筑強度，怎樣在保證穩(wěn)定、安全的基礎上，設計獨特的不規(guī)則建筑形式，成為建筑行業(yè)未來發(fā)展的重大問題[1]。

2 劃分高層建筑中不規(guī)則結(jié)構(gòu)

依據(jù)抗震規(guī)范設計建筑不規(guī)則架構(gòu)的時候能夠分成以下三個級別：一是，一般不規(guī)則。依據(jù)相關標準和設計規(guī)范來提出合理解決措施；二是，特殊不規(guī)則。經(jīng)過相關部門和專家論證以后提出符合標準規(guī)范的解決措施，檢查建筑抗震級別的時候嚴格遵守第111號建設部設計規(guī)范；三是，嚴重不規(guī)則。依據(jù)實際設計規(guī)范要求合理調(diào)整和修改建筑方式。包括豎向不規(guī)則和平面不規(guī)則兩種結(jié)構(gòu)形式。

2.1 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)種類 平面不規(guī)則設計結(jié)構(gòu)主要包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不規(guī)則三種形式，從以上三個角度來著重分析高層建筑平面設計不規(guī)則形式。

2.1.1 平面剛度偏心 平面剛度偏心包括兩種形式，平面外剛度和平面內(nèi)剛度，平面外剛度就是垂直荷載作用方向的剛度；平面內(nèi)剛度就是具備一致與荷載作用方向的剛度。因為理想設計構(gòu)件模型、施工環(huán)境、承受荷載與實際構(gòu)件情況之間的差異，促使出現(xiàn)不唯一的平面剛度，也就是說會適當降低剛度[2]。

2.1.2 平面質(zhì)量偏心 設計不同尺寸界面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的時候，會出現(xiàn)質(zhì)量偏心現(xiàn)象，此外因為施工條件、設計結(jié)構(gòu)等原因出現(xiàn)質(zhì)量偏性，依據(jù)國家抗震相關設計規(guī)范指標，設計平面規(guī)則結(jié)構(gòu)的過程中，分析偏心影響的時候，需要合理應用簡化的提高邊榀結(jié)構(gòu)地震作用效應方式，對于設計高層建筑結(jié)構(gòu)來說，具備和國外一致的標準和規(guī)定，計算樓層偶然偏心質(zhì)量單向水平地震情況的時候，與建筑物在地震作用方向上的每層投影長度的5%息息相關。剛度計算公式如下：Ki=Vi/△Ui

其中Vi是第i層剪力，Ui是第i層層間位移。

2.1.3 平面強度偏心 平面應變以及平面應力都與簡化空間模型理念息息相關。平面應變就是說在同一平面內(nèi)進行所有應變；平面應力是說在同一平面內(nèi)所有應力。常見的兩種偏心問題就是平面剛度偏心和平面質(zhì)量偏心，在實際設計高層建筑結(jié)構(gòu)的時候，經(jīng)常會忽視強度偏心的影響，在設計過程中，鋼構(gòu)件、鋼筋使用型號、混凝土的配置都具備一定不確定性，因此，會促使設計結(jié)構(gòu)強度與實際強度之間具備一定差距，從而使得設計結(jié)構(gòu)強度的時候出現(xiàn)偏心，工作人員很難有效控制結(jié)構(gòu)強度，因此在施工中不能忽視平面強度偏心[3]。

2.2 豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)種類 在實際設計高層建筑結(jié)構(gòu)的時候，會經(jīng)常出現(xiàn)一些豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，例如，設計高層建筑過程中，采用上下粗、中間細的形式，上述結(jié)構(gòu)形式會在一定程度上提高或者增強樓層承載力，如果不能全面分析豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，會極大程度影響建筑整體設計效果，豎向不規(guī)則設計結(jié)構(gòu)主要包括側(cè)向剛度不規(guī)則、樓層承載力突變、不連續(xù)豎向抗側(cè)力三方面。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設計中不規(guī)則性的應用

依據(jù)相關研究可以發(fā)現(xiàn)，當建筑結(jié)構(gòu)遭受到地震等自然災害的過程中，相比較同類型建筑結(jié)構(gòu)中，存在平面不規(guī)則性建筑設計結(jié)構(gòu)更容易被破壞，并且上述建筑還存在相對比較薄弱的抗扭轉(zhuǎn)剛度、剛度偏心、質(zhì)量偏心等問題，需要進一步分析和研究建筑設計不規(guī)則結(jié)構(gòu)。高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)中，最嚴重的破壞方式就是扭矩效應。在實際設計結(jié)構(gòu)和實施建筑結(jié)構(gòu)的時候，扭轉(zhuǎn)效應對于高層建筑來說具備極大影響，應該及時采取有效解決措施，可以最大限度限制使用不規(guī)則平面結(jié)構(gòu)設計高層建筑，能夠在一定程度上降低過大偏心問題，從而能夠及時的降低扭轉(zhuǎn)效應影響高層建筑設計的效果，并且適當增加建筑設計的扭轉(zhuǎn)剛度，促使不會因為具備比較弱的強度二提高扭轉(zhuǎn)效應，在分析判斷高層建筑扭轉(zhuǎn)效應的過程中，對比法分析依據(jù)以平動為主的第一自轉(zhuǎn)周期及以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期，如果存在相似的數(shù)值，在振動耦連影響前提下，會極大程度影響設計高層建筑的扭轉(zhuǎn)效應。盡可能降低扭轉(zhuǎn)作用，從以下方面分析解決措施：

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)設計中降低相對偏心距 經(jīng)過大量實踐可以發(fā)現(xiàn)，設計高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的時候，相對偏心距和扭轉(zhuǎn)效應存在一定線性關系。想要有效降低設計高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，并且盡可能縮小樓層位移比，應該合理調(diào)整布置建筑的平面結(jié)構(gòu)，保證能夠具備更加類似的剛心位置和構(gòu)架質(zhì)心。實際建筑施工過程中，初步計算分析剛度結(jié)構(gòu)，合理調(diào)整不符合規(guī)范的不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)平面設計，依據(jù)初步計算結(jié)果可以有效確定設計建筑結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心。有機結(jié)合以往經(jīng)驗和相關資料數(shù)據(jù)，來準確分析和判斷設計建筑結(jié)構(gòu)的剛度，在比較原理質(zhì)心的位置，適當提高或者降低構(gòu)件抗側(cè)力[4]。

3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設計中合理調(diào)整扭轉(zhuǎn)剛度和抗側(cè)剛度 在設計高層建筑結(jié)構(gòu)的時候，結(jié)構(gòu)周期和扭轉(zhuǎn)效應之間具備一定線性關系，所以，在實際設計高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的過程中，應該盡可能降低周期。設計剪力墻結(jié)構(gòu)的時候，需要適當增加剪力墻厚度，特別是遠離結(jié)構(gòu)剛心為指導強力墻更應該給予一定關注，合理增加設計的扭轉(zhuǎn)剛度，能夠有效降低設計結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期，在結(jié)構(gòu)邊緣附近設置一定的拉梁或者提高拉梁剛度[5]。

3.3 增加建筑附近抗扭構(gòu)件的抗剪力 在存在很強震動的影響下，如果僅僅只是依靠調(diào)整和改變結(jié)構(gòu)布置形式是不能完全符合規(guī)范的，設計建筑結(jié)構(gòu)的時候需要保持縱橫安全性，經(jīng)過大量實踐表明，在非彈性時期設計高層建筑的時候，會在一定程度上遭受到水平方向震動影響，由于不斷改變形態(tài)，對稱建筑結(jié)構(gòu)會形成相應偏心，所以，應該不斷提高和強化設計建筑結(jié)構(gòu)的抗剪性能，保證在強烈震動基礎上能夠具備整體彈性的高層建筑設計結(jié)構(gòu)，以便于保證擁有良好的抗震性[6]。

3.4 設置防震縫 在設計高層不規(guī)則建筑形式的時候，經(jīng)常會應用一些復雜架構(gòu)的平面形狀，因為受到實際情況的影響，不能合理設置成規(guī)則的平面建筑結(jié)構(gòu)，因此，利用防震縫來有效的把建筑結(jié)構(gòu)變?yōu)榻粏蔚慕Y(jié)構(gòu)單元。在高層家建筑設計中應用不規(guī)則結(jié)構(gòu)的時候，防震縫具備一定作用和意義。如果存在不同體系結(jié)構(gòu)的兩側(cè)防震縫、不同應用的地震反應效應，需要依據(jù)實際寬度來合理設計防震縫。如果出現(xiàn)沉降比較大的相鄰基礎結(jié)構(gòu)，防震縫能夠被當做沉降縫[7]。

3.5 實際應用 北京商務中心的中央電視臺大樓，基本支柱結(jié)構(gòu)是兩棟傾斜的大樓，懸空180m的位置向外延伸10m，形成正面O型側(cè)面S型的結(jié)構(gòu)。主要應用多種不規(guī)則菱形漁網(wǎng)狀金屬腳手架，163m以上部分主要形成L形式懸臂，主樓雙向內(nèi)側(cè)存在6°的傾斜，利用諸多不規(guī)則幾何圖形構(gòu)成玻璃幕墻，促使此建筑技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)新穎、造型獨特。

4 結(jié)束語

總之，依據(jù)實際案例存在十分復雜的造型結(jié)構(gòu)，進一步分析特殊問題，從而達到提高結(jié)構(gòu)受力性能和抗震性能，布置高層建筑整體結(jié)構(gòu)的時候，盡可能降低薄弱環(huán)節(jié)，從設計不規(guī)則結(jié)構(gòu)基本現(xiàn)狀出發(fā)，建立符合中國特色的建筑結(jié)構(gòu)。

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