高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

陳康慈

（廣東中美建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 汕頭 515000）

高層建筑對(duì)穩(wěn)定性提出了更高要求，其平面布置應(yīng)具有足夠的規(guī)則性。當(dāng)平面表現(xiàn)為不規(guī)則特性時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致平面質(zhì)量與剛度兩大指標(biāo)的中心不重合現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)等問(wèn)題，最終對(duì)結(jié)構(gòu)形成破壞。在此背景下，工程人員必須注重平面不規(guī)則這一影響因素。

1 高層建筑不規(guī)則性含義及其特點(diǎn)

從高層建筑的定義可知，主要涉及兩大內(nèi)容：①高度大于27m的住宅型建筑；②高度大于24m的非單層建筑。在施工中會(huì)面臨各種外部因素的影響，如工程周邊地基沉降等問(wèn)題均會(huì)引起建筑的不規(guī)則現(xiàn)象。建筑物不規(guī)則是工程中普遍存在的問(wèn)題，其主要的表現(xiàn)形式有：豎直方向剛度連續(xù)性較差、樓板出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象或平面不規(guī)則等。大量經(jīng)驗(yàn)表明，相比規(guī)則性高層建筑，不規(guī)則性高層建筑所提出的要求更高，如主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備管線等均是要考慮的內(nèi)容。在實(shí)際操作中，需找到發(fā)生不規(guī)則性的具體位置，并及時(shí)采取針對(duì)性措施，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的方案進(jìn)行優(yōu)化，確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。如今高層不規(guī)則建筑在現(xiàn)實(shí)生活中較為普遍，如圖1所示。

圖1 平面不規(guī)則建筑

2 建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)種類

2.1 豎向不規(guī)則

關(guān)于側(cè)向剛度不規(guī)則的評(píng)判方法有：需選定上層相鄰樓層，將其作為基本參照對(duì)象，對(duì)當(dāng)前樓層的側(cè)向剛度進(jìn)行計(jì)算分析，若所得結(jié)果小于前者的70%，則可視為側(cè)向剛度不規(guī)則；此外，若所得結(jié)果小于上之三層側(cè)向剛度均值的80%，則也應(yīng)視為側(cè)向剛度不規(guī)則。但要注意的是，建筑頂層不允許算入其中。

關(guān)于豎向側(cè)抗力結(jié)構(gòu)構(gòu)件不連續(xù)的評(píng)判方法有：以水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件為基礎(chǔ)，當(dāng)側(cè)抗力結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出向下傳遞現(xiàn)象，同時(shí)樓層承載力出現(xiàn)突變時(shí)，則需將其視為不規(guī)則建筑。其基本特征有：相比于上一相鄰樓層而言，當(dāng)前層所對(duì)應(yīng)的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剪切力不大于前者的80%。豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)建筑如圖2所示。

圖2 豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)建筑

2.2 平面不規(guī)則

當(dāng)平面質(zhì)量存在偏心時(shí)，必然會(huì)引起建筑平面的不規(guī)則。此外，當(dāng)構(gòu)件的截面尺寸存在差異時(shí)，往往會(huì)成為偏心問(wèn)題的主要誘發(fā)因素。同時(shí)，除了前期施工環(huán)節(jié)外，后續(xù)使用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量偏心的問(wèn)題。當(dāng)平面剛度出現(xiàn)偏心時(shí)，建筑平面會(huì)表現(xiàn)出明顯的不規(guī)則性。對(duì)平面剛度作進(jìn)一步細(xì)分：關(guān)于平面內(nèi)剛度，其方向與荷載作用相同；反之，如果與荷載作用方向相反，則可視為平面外剛度。受施工條件或周邊環(huán)境等因素影響，不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件所對(duì)應(yīng)的荷載情況也各不相同，這也均會(huì)產(chǎn)生平面剛度不均勻等現(xiàn)象。此外，平面強(qiáng)度也容易引發(fā)偏心問(wèn)題。在實(shí)際施工過(guò)程中，鋼筋及混凝土材料具有明顯的選擇不確定性，因此實(shí)際強(qiáng)度值也會(huì)與預(yù)期值產(chǎn)生偏差，從而使結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面存在強(qiáng)度偏心，對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)影響。

2.3 超規(guī)范結(jié)構(gòu)

以最大高度為基準(zhǔn)，當(dāng)建筑實(shí)際高度超出該范圍時(shí)，則可視為超高結(jié)構(gòu)。關(guān)于超規(guī)范結(jié)構(gòu)，即建筑超出了規(guī)范的限值或尚未滿足當(dāng)前行業(yè)內(nèi)的規(guī)范條文，此時(shí)無(wú)論平面或立面布置是否合理，均需將其視為不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

3 加強(qiáng)不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的方法

由于高層建筑的不規(guī)則部位受到外力損害的可能性較大，這意味著在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮不規(guī)則部位對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。從結(jié)構(gòu)構(gòu)成角度來(lái)看，主要涉及柱、墻、板、梁等構(gòu)件，因此可基于概念設(shè)計(jì)的方法提升結(jié)構(gòu)的合理性。

3.1 降低建筑結(jié)構(gòu)偏心距

當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)存在偏心距問(wèn)題時(shí)，有可能會(huì)對(duì)高層建筑的質(zhì)量造成影響。因此，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)盡可能降低建筑結(jié)構(gòu)的偏心距，在源頭上將不利因素消除，確保建筑的穩(wěn)定性?；诟纳婆まD(zhuǎn)效應(yīng)的目的，應(yīng)對(duì)建筑的整體布局進(jìn)行優(yōu)化處理，最大程度上降低樓層的位移比，縮短質(zhì)心與剛心的距離。工程中較為可行的措施有：對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析，對(duì)不規(guī)則平面進(jìn)行適度調(diào)整，而后對(duì)調(diào)整后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次分析，經(jīng)多重驗(yàn)算且確保無(wú)誤后方可通過(guò)。基于上述方法不但可得到建筑的質(zhì)心與剛心，還可掌握結(jié)構(gòu)的剛度分布，以便對(duì)側(cè)抗力結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行適度調(diào)整，確保高層建筑的穩(wěn)定性。

3.2 合理調(diào)整抗側(cè)強(qiáng)度及扭曲剛度

經(jīng)大量研究與調(diào)查可知，隨著振動(dòng)周期的改變，會(huì)對(duì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)帶來(lái)明顯的影響。以上述理論為基礎(chǔ)，出于優(yōu)化高層建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的，可將振動(dòng)周期作為切入點(diǎn)進(jìn)行分析，采用改變振動(dòng)周期的方式來(lái)緩解扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適的墻體厚度與長(zhǎng)度，這對(duì)中心間距較大的墻體而言顯得更為重要。常見的方式有：在結(jié)構(gòu)邊緣增設(shè)梁、柱等結(jié)構(gòu)，以改善結(jié)構(gòu)抗扭強(qiáng)度，縮減振動(dòng)周期。此外，還可對(duì)邊緣連續(xù)梁的剛度進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化扭曲剛度。就理論層面而言，基于提升連續(xù)梁抗剪能力的方式可有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的性能；從實(shí)際操作層面考慮，則需合理加大剪力墻連梁的截面寬度?；谝陨戏椒?，對(duì)于剪力墻連梁結(jié)構(gòu)的整體剛度也可發(fā)揮出積極效果，能夠確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.3 提升不規(guī)則結(jié)構(gòu)周邊抗扭構(gòu)件抗剪力

受地震雙向水平的影響，高層建筑不可避免會(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象，當(dāng)變形處于彈性階段時(shí)，則具有恢復(fù)常態(tài)的可能性，此時(shí)建筑的整體結(jié)構(gòu)并不會(huì)出現(xiàn)變化；但變形處于非彈性階段時(shí)，則會(huì)致使變形無(wú)法恢復(fù)，這也是偏心問(wèn)題的主要誘發(fā)因素之一。對(duì)此，在地震環(huán)境下為了避免建筑出現(xiàn)偏心問(wèn)題應(yīng)嚴(yán)格按照抗震規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.4 科學(xué)規(guī)劃不規(guī)則部件，并做好防震措施

與常規(guī)建筑相比，高層建筑不規(guī)則設(shè)計(jì)具有明顯的復(fù)雜性且易受到客觀因素的影響。因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮可能造成影響的相關(guān)因素，從而做出合理規(guī)劃，為后續(xù)施工提供可靠依據(jù)。在實(shí)際施工中，應(yīng)積極采取抗震措施，在高層建筑周圍設(shè)置防震縫，以緩解地震對(duì)房屋帶來(lái)的沖擊，從而對(duì)建筑形成保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

在高層建筑大規(guī)模發(fā)展的背景下，平面布置不規(guī)則建筑逐步涌現(xiàn)，隨之對(duì)建筑的整體穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)，與之相關(guān)的抗震設(shè)計(jì)工作也存在諸多難點(diǎn)。要想推動(dòng)平面布置不規(guī)則高層建筑的良好發(fā)展，必須展開相關(guān)設(shè)計(jì)探討，不斷尋求可行的方式，由此確保此類建筑的安全性。