高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

毛維帥

1 引言

近年來(lái)，城市中的高層建筑數(shù)量及規(guī)模正在與日俱增，而隨著一棟棟“摩天大樓”的拔地而起，對(duì)它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。就現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，我國(guó)正有越來(lái)越多的高層建筑采用不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這昭示著建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的進(jìn)一步提升。不規(guī)則結(jié)構(gòu)的高層建筑優(yōu)勢(shì)有二：一是提高建筑外形的美觀性與個(gè)性化，二是解決自然條件、建筑空間、工程造價(jià)等相關(guān)因素的矛盾。不過(guò)，高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比普通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度要大很多，以下就詳細(xì)談?wù)劯邔咏ㄖ灰?guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題。

2 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的主要類型

高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要包括兩種類型，第一種類型是豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，第二種類型是平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)：

2.1 豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)

豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)可以分為三種類型，分別是：側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)、抗側(cè)力構(gòu)件不規(guī)則結(jié)構(gòu)以及樓層承載力突變的結(jié)構(gòu)。首先來(lái)說(shuō)側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)：側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)是指某一樓層的側(cè)向剛度值為其上層樓層70%的范圍之內(nèi)，這一樓層便是不規(guī)則性樓層。其次來(lái)說(shuō)抗側(cè)力構(gòu)件不規(guī)則結(jié)構(gòu)：抗側(cè)力構(gòu)件不規(guī)則結(jié)構(gòu)是指豎直方向結(jié)構(gòu)抗側(cè)列位置缺乏連貫性，即結(jié)構(gòu)受力主要通過(guò)設(shè)置水平設(shè)施進(jìn)行輸送。最后來(lái)說(shuō)樓層承載力突變的結(jié)構(gòu)：樓層承載力突變的結(jié)構(gòu)是指樓層間出現(xiàn)明顯的重力改變，即某一樓層的重量超過(guò)其下一樓層的1.5倍。通過(guò)對(duì)高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生地震之時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)破壞最為嚴(yán)重的區(qū)域一般是平面分布不均的區(qū)域，同時(shí)，扭轉(zhuǎn)剛度較大、剛度作用偏差較大的結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)較大的損壞。由此可見，相較于地震帶來(lái)的水平晃動(dòng)豎直作用而言，扭轉(zhuǎn)作用對(duì)建筑所造成的損壞更大?；诖?，在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要嚴(yán)格控制建筑主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，通?？梢圆扇∫韵聨追N方法：第一，在建筑結(jié)構(gòu)有效范圍之內(nèi)，盡可能地提升扭轉(zhuǎn)剛度值，以強(qiáng)化扭轉(zhuǎn)下的抵抗性能；第二，通過(guò)實(shí)現(xiàn)空間、平面上的對(duì)稱性，以保障空間、平面的分布規(guī)律性，避免出現(xiàn)較大的偏心作用，進(jìn)而減小主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2.2 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)

平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)可以分為三種類型，分別是：平面不規(guī)則扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、樓板缺乏連續(xù)性的結(jié)構(gòu)以及樓板凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)。首先來(lái)說(shuō)平面不規(guī)則扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)：平面不規(guī)則扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是指立足于每層樓房結(jié)構(gòu)的兩端存在的彈性水平位移量進(jìn)行判斷，如果樓層水平位移量為平均值的1.2倍或者是以上，則樓層結(jié)構(gòu)便會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則扭轉(zhuǎn)的情況。其次來(lái)說(shuō)樓板缺乏連續(xù)性的結(jié)構(gòu)：樓板缺乏連續(xù)性的結(jié)構(gòu)是指樓板結(jié)構(gòu)缺乏連續(xù)性，其主要原因在于樓板面積、建筑結(jié)構(gòu)平面發(fā)生劇烈變化。最后來(lái)說(shuō)樓板凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)：樓板凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)是指在結(jié)構(gòu)投影尺寸上，若平面凹進(jìn)面積超過(guò)30%，則為凹凸不規(guī)則。

3 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義

當(dāng)今時(shí)代，在城市化建設(shè)進(jìn)程不斷加快、建筑行業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí)，人們的生活水平、生活質(zhì)量得到了顯著提高，在此背景下，也對(duì)建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了多樣化、個(gè)性化的需求，這無(wú)疑給建筑設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了更大的難度?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)不僅要確保建筑的安全性，還要提高建筑的美觀度及注重建筑的節(jié)能性?；谶@樣的原因，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)要先對(duì)建筑本身的結(jié)構(gòu)、用料、框架等問(wèn)題進(jìn)行全面了解和深入分析，同時(shí)還要充分考慮到當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件、周圍環(huán)境等因素，這樣才能夠設(shè)計(jì)出兼具舒適性、安全性、實(shí)用性以及美觀性的高層建筑?，F(xiàn)代社會(huì)是一個(gè)個(gè)性張揚(yáng)的社會(huì)，人們更加希望能夠生活和工作在一個(gè)特色化的、個(gè)性化的建筑物之中，因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中越來(lái)越多的采用了不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既可以提高高層建筑外形的美觀性與個(gè)性化，又能夠解決自然條件、建筑空間、工程造價(jià)等相關(guān)因素的矛盾。但與此同時(shí)，其這也給建筑設(shè)計(jì)、施工等工作提出了更高的要求、帶來(lái)了更大的難度。面對(duì)這樣的情況，有必要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，盡快找到更加有效的設(shè)計(jì)方法和技巧來(lái)提高高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平；同時(shí)還要加強(qiáng)對(duì)各種新技術(shù)、新理念的應(yīng)用，最大限度地減少不規(guī)則結(jié)構(gòu)給高層建筑造成的負(fù)面影響，以為建筑施工工作提供科學(xué)的指導(dǎo)，切實(shí)保證高層建筑的美觀性與建設(shè)質(zhì)量。

4 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的策略

當(dāng)前，隨著高層建筑的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外諸多業(yè)內(nèi)學(xué)者紛紛開展了對(duì)高層建筑的深層次研究，其中也包括對(duì)高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生之后，高層建筑初選結(jié)構(gòu)破壞的問(wèn)題，很多時(shí)候都是由于建筑結(jié)構(gòu)本身的不規(guī)則性所造成的。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)遭受損壞的最主要因素。由此可見，在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要重點(diǎn)控制好不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。以下就介紹幾種控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的策略。

4.1 提高抗扭剛度與抗側(cè)剛度

為了有效控制好不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)際情況提高建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度與抗側(cè)剛度。通過(guò)對(duì)高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析不難發(fā)現(xiàn)，高層建筑主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)自我振動(dòng)周期的扭轉(zhuǎn)情況與平方值應(yīng)當(dāng)要具備線性函數(shù)關(guān)系。因此，在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)要盡可能地減少建筑自我振動(dòng)時(shí)間，從而降低高層建筑主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在分析高層建筑的剪刀墻結(jié)構(gòu)之時(shí)，可以通過(guò)改變墻體大小以及在實(shí)際操作過(guò)程中根據(jù)主體結(jié)構(gòu)邊緣處柱梁的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而減少高層建筑主體結(jié)構(gòu)的自我振動(dòng)周期、控制其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。另外，通過(guò)適當(dāng)提高邊緣梁值，也可以起到調(diào)整抗扭剛度與抗側(cè)剛度的作用。

4.2 降低相對(duì)偏心距

通過(guò)降低相對(duì)偏心距，可以比較有效地控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，其主要原理在于高層建筑結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距及其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可呈線性函數(shù)關(guān)系。也就是說(shuō)，通過(guò)減小樓體間的位移，便可以降低由主體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)所造成的不良影響。基于此，應(yīng)當(dāng)要在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距，從而改善高層建筑結(jié)構(gòu)的平面、空間整體分布情況及提高結(jié)構(gòu)間的穩(wěn)定性與安全性。與此同時(shí)，在實(shí)際建筑施工過(guò)程中，也可以采取一些有效的措施來(lái)減小高層建筑結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距。為此，應(yīng)當(dāng)要對(duì)高層建筑的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，然后以此為根據(jù)來(lái)制定出一套科學(xué)的相對(duì)偏心距調(diào)整方案，并在設(shè)計(jì)圖紙上明確標(biāo)記相對(duì)偏心距的位置，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行準(zhǔn)確分析，這樣才能夠切實(shí)保障高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性。

4.3 增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度

增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度是控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的常用方法。光是通過(guò)協(xié)調(diào)主體結(jié)構(gòu)分布，并不能真正有效控制不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，一旦受到較大的外力作用，則主體結(jié)構(gòu)很容易會(huì)遭到破壞。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，如果高層建筑長(zhǎng)期處于非彈性階段的話，即使其結(jié)構(gòu)最初是規(guī)則性的，但一旦遭受地震作用的影響，其結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生偏心缺陷而轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則。因此，為了確保高層建筑主體結(jié)構(gòu)的抗震性能，必須要提高主體結(jié)構(gòu)邊緣構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度，這樣即使高層建筑整體結(jié)構(gòu)遭受了巨大外力作用，也可以受到自身彈性作用而回到正常狀態(tài)。

4.4 設(shè)置防震縫

在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)置防震縫，可以發(fā)揮出良好的控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的作用。一般來(lái)說(shuō)，高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常會(huì)應(yīng)用到一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的平面形狀，而由于受到現(xiàn)實(shí)因素限制，往往無(wú)法合理設(shè)置規(guī)則的平面結(jié)構(gòu)，對(duì)此，只有采取設(shè)置防震縫的方法，才能夠有效將建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單結(jié)構(gòu)單元。需注意，對(duì)于不同體系結(jié)構(gòu)的兩側(cè)、不同作用的地震效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)合理確定防震縫的寬度。另外，若相鄰結(jié)構(gòu)的沉降較大的話，也可以利用防震縫來(lái)發(fā)揮沉降縫的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高層建筑是現(xiàn)代建筑的主要趨勢(shì)，而在高層建筑設(shè)計(jì)中，不可避免地會(huì)應(yīng)用到許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這也是其設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)。不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既可以提高高層建筑外形的美觀性與個(gè)性化，又能夠解決自然條件、建筑空間、工程造價(jià)等相關(guān)因素的矛盾。而無(wú)論是豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)還是平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其在實(shí)際設(shè)計(jì)中都需要采取科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法與技巧，特別是要控制好不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)此，可以采取提高抗扭剛度與抗側(cè)剛度、降低相對(duì)偏心距、增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度、設(shè)置防震縫等策略來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。