高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

何永強

摘? 要：在現(xiàn)代建筑發(fā)展體系中，高層建筑的發(fā)展比較迅速和重要，其穩(wěn)固性更加得到設(shè)計人員的重視。因而在對其進行設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)從提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)固度這一角度出發(fā)改善設(shè)計方案。尤其針對可能出現(xiàn)的不規(guī)則建筑構(gòu)造，設(shè)計人員更要提高重視，從不同的設(shè)計角度出發(fā)對設(shè)計方案進行調(diào)整，以滿足實際建筑工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要。文章在對高層建筑的不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計進行探討時，從介紹基本的高層建筑的不規(guī)則結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，結(jié)合實際案例，分析了具體的不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點。

關(guān)鍵詞：高層建筑;不規(guī)則結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TU973.3 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0093-02

Abstract： In the modern building development system， the development of high-rise buildings is relatively rapid and important， and its stability has gained more concern from the designers. Therefore， when designing it， the designer should improve the design scheme from the point of view of improving the stability of the structure. Especially in view of the possible irregular building structure， designers should pay more attention to it and adjust the design scheme from different design angles in order to meet the structural optimization needs of the actual building project. While discussing the irregular structure design of high-rise buildings， this paper starts from the introduction of the basic irregular structure forms of high-rise buildings， and combined with practical cases， analyzes the specific design points of irregular structures.

Keywords： high-rise building; irregular structure; structural design

對高層建筑結(jié)構(gòu)進行標準化設(shè)計，設(shè)計人員需要秉持質(zhì)量為先、發(fā)展為重的設(shè)計理念，要進一步將提高建筑穩(wěn)定性當作設(shè)計的出發(fā)點。針對高層建筑常見的不規(guī)則結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計人員更要理性分析，認真對待，并結(jié)合實際的設(shè)計經(jīng)驗，豐富設(shè)計方法，重視設(shè)計細節(jié)，形成完整、精準的不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

1 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的具體形式

1.1 豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)

豎向不規(guī)則在高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)中較為常見，具體包括側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)、層間質(zhì)量劇變結(jié)構(gòu)和樓層承載力突變結(jié)構(gòu)三種。側(cè)向剛度不規(guī)則結(jié)構(gòu)又可細分為兩種情況，第一是結(jié)構(gòu)樓層側(cè)向剛度小于相鄰上一層的側(cè)向剛度，且減少的范圍約為70%。第二種情況為除頂層之外的其他樓層的局部收進水平與相鄰下一層之間存在差值，且一般上一層超出相鄰下一層25%;層間質(zhì)量劇變結(jié)構(gòu)是指高層建筑的某個建筑構(gòu)造中的相鄰樓層之間的質(zhì)量差值，一般下一層樓比相鄰樓層質(zhì)量小1.5倍左右;樓層承載力突變結(jié)構(gòu)則強調(diào)的是不同樓層之間的承載力差值，且樓層承載力從上至下依次遞減。

1.2 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)

平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要包括樓板不連續(xù)、凹凸不規(guī)則和扭轉(zhuǎn)不規(guī)則三類。樓板不連續(xù)主要體現(xiàn)在開洞后每一邊的凈寬長度的變化值，一般以2m為界，且小于臨界值;而凹凸不規(guī)則具體指的是樓層平面結(jié)構(gòu)形狀的不規(guī)則;最后是扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，該類不規(guī)則形式也較為常見，且與層間位移密切相關(guān)，因而也會直接影響建筑的穩(wěn)固程度。

2 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計實例分析

2.1 工程概況

本工程為某高層建筑工程，建筑總高度為65.25m，總面積為11450.2m2，共22層，其中有1層為地下建筑，其他層包括商場和住宅。建筑自地下1層到地上3層近似矩形平面，4層及4層以上近似“凸”形平面。本高層抗震設(shè)防烈度為7度，主體結(jié)構(gòu)采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，存在的不規(guī)則類型具體包括平面不規(guī)則、樓板不連續(xù)等。在具體設(shè)計時，需要針對性的進行不規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并重視做好結(jié)構(gòu)薄弱部位的抗震強化設(shè)計。

2.2 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的具體情況及設(shè)計要點

（1）偏心距的合理控制。對高層建筑中的不規(guī)則結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，設(shè)計人員首先要處理好偏心距。過大的偏心距將影響高層建筑整體的穩(wěn)固性，設(shè)計人員應(yīng)采用先進的方法實現(xiàn)對偏心距的有效控制。結(jié)合不規(guī)則結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計要求，可以采用以下方法實現(xiàn)對偏心距的有效控制：一是要嚴格控制建筑位移，使高層建筑的位置保持基本固定;二是針對建筑物進行結(jié)構(gòu)方面的布局優(yōu)化設(shè)計，并且要注重進行動態(tài)和靈活性的設(shè)計，以便在后期出現(xiàn)偏心距過大問題時可以有效的進行調(diào)整，確保施工能夠順利進行。（2）樓板不連續(xù)的具體處理。樓板不連續(xù)是高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則的具體表現(xiàn)形式，本工程中就出現(xiàn)了樓板不連續(xù)這一問題。工程人員在發(fā)現(xiàn)問題后基于提高區(qū)域樓板抗震性能和穩(wěn)固性的角度考慮，在對豎向體型突變部位設(shè)置樓板時，選擇厚度為180mm的樓板，針對其他樓層的相應(yīng)部位，則適當增加板厚，分別增加30mm。工程人員還針對該薄弱區(qū)域配置了高配筋率的樓板，并進行雙層雙向通長設(shè)置，保持高于0.3%的配筋率。而在處理樓板邊緣部位時，則通過設(shè)置扁梁的形式進行處理，扁梁上部的縱筋能夠直接在樓板內(nèi)進行錨入，工程人員嚴格參照抗震等級要求確定錨固長度，獲得了較好的處理效果。此外，針對高層建筑樓板不規(guī)則問題，在進行處理時，應(yīng)進行相應(yīng)的計算。在計算時，計算人員需要使用標準的計算程序，并進行計算條件的假定，建成計算模型，并進行不斷優(yōu)化。在進行具體計算時，計算人員會假定平面內(nèi)剛度無限大，同時會限定樓板在平面內(nèi)不出現(xiàn)變形這一情況。但是在實際的高層建筑中，很容易出現(xiàn)樓板內(nèi)的凹入現(xiàn)象，較大的開洞會成為樓板平面變形的主要推手。因而在進行計算時，計算人員需要假定多種條件，并結(jié)合實際工程情況，確保實現(xiàn)對樓板不連續(xù)場景下的精準計算。（3）凹凸不規(guī)則的具體處理。結(jié)合本工程的具體特征可知，在4～21層都為“凸”形平面，因而需要計算其具體的凸出長度，具體為11.3m，而本工程的平面突出方向的結(jié)構(gòu)總長度為22m，已經(jīng)超出了總長度的51.4%，因而可以將該結(jié)構(gòu)判定為凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)。針對這一不規(guī)則情況，設(shè)計人員應(yīng)找出平面尺寸的突變位置，并計算樓板厚度，基于此進行進一步的設(shè)計，并相應(yīng)的采取加強配筋措施。（4）豎向體型收進的具體處理。本建筑工程由于有商業(yè)建筑和住宅區(qū)的區(qū)分，因而在4層商業(yè)建筑以上，結(jié)構(gòu)平面就出現(xiàn)了收進現(xiàn)象，具體的體型收進高度和收進后的平面寬度分別為11.1m和12.7m，基本達到建筑總高度的17%與下部樓層對應(yīng)寬度的49%。而上述比值已經(jīng)接近于高規(guī)第3.5.5條對應(yīng)的20%和75%的限值，因而可以將該結(jié)構(gòu)判定為豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)。針對豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員在進行處理時，應(yīng)關(guān)注抗震增強設(shè)計?；诖?，應(yīng)針對結(jié)構(gòu)薄弱層，以多遇地震作用標準值為基準，以該值的剪力乘以1.25的增大系數(shù)。而在進行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員則要保持上部收進樓層和相鄰下部樓層對應(yīng)的剪力墻和框架柱的截面尺寸不出現(xiàn)變化，并且要使混凝土等級達到強度要求，由此可以保證使兩個樓層間的抗側(cè)移剛度和承載力處于較小的差值范圍內(nèi)。在具體的抗震不屈服設(shè)計活動中，設(shè)計人員應(yīng)從提高建筑結(jié)構(gòu)塑性角度出發(fā)進行設(shè)計，并對地震影響系數(shù)進行預(yù)估，在彈性時程分析法下進行補充計算，提高抗震設(shè)計精準度。（5）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的具體處理。對本工程進行扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的判定時，工程人員基于雙向地震作用力和偶然偏心距這兩個參數(shù)，對本工程最大的位移與層平均位移的具體比值進行了計算，得出最大比值為1.32（X向），1.16（Y向），根據(jù)高規(guī)中的3.4.5條的規(guī)定，可將本工程判定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。在判定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)之后，設(shè)計人員需要通過合理的處理措施來減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在具體布置剪力墻時，應(yīng)注重均勻性和對稱性，在這一布置原則下，盡量使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心接近或重合。此外，設(shè)計人員還要從削弱核心筒的剛度這一角度出發(fā)，采取措施增強結(jié)構(gòu)周邊剪力墻的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)具備更加優(yōu)異的抗扭性能。設(shè)計人員在對本工程進行計算模型的反復(fù)優(yōu)化之后，得出具體的結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心和剛度中心距離值，具體為0.01～0.07m（X向）、0.05～0.37m（Y向）。經(jīng)進一步計算和比對高規(guī)可知，本工程的Tt/T1=0.7739，相較于限值要求0.9還有一定的富余，因而判定，經(jīng)過處理之后，該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)已經(jīng)得到了有效的控制。（6）轉(zhuǎn)角窗的具體處理。對本工程的結(jié)構(gòu)進行實際分析后得知，該結(jié)構(gòu)的4～21層為住宅區(qū)，在這一范圍內(nèi)，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)下方戶型主臥的兩個端頭都分別設(shè)置有轉(zhuǎn)角窗，通過這一建筑設(shè)置，對于結(jié)構(gòu)而言，會削弱其結(jié)構(gòu)抗扭性能，并由此成為抗震設(shè)計需要重點關(guān)注的部位?；诖耍竟こ痰脑O(shè)計人員進行了轉(zhuǎn)角窗這一結(jié)構(gòu)部位的具體抗震處理，找出轉(zhuǎn)角窗的洞口，并在兩側(cè)設(shè)置剪力墻，同時將邊緣構(gòu)件放置其中，還有做好箍筋加密處理。此外，還要對轉(zhuǎn)角處的臥室樓板進行加厚處理，配置好樓板鋼筋，做好轉(zhuǎn)角梁的配筋處理，從而能夠使得轉(zhuǎn)角窗部位的轉(zhuǎn)角梁具有良好的抗扭力和抗彎力。（7）提升周邊抗扭構(gòu)件的抗剪力。高層建筑的設(shè)計人員在優(yōu)化不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計體系時，應(yīng)做好對周邊抗扭構(gòu)件抗剪力的提升設(shè)計。設(shè)計人員要結(jié)合前沿的結(jié)構(gòu)理論，即建筑結(jié)構(gòu)一旦處于非彈性狀態(tài)，當出現(xiàn)地震時，結(jié)構(gòu)會受到雙向的水平地震作用力的沖擊，由此會出現(xiàn)重心的變化，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)?；诖?，設(shè)計人員需要注重抗扭構(gòu)件這一細節(jié)，要能夠結(jié)合抗震性能的具體要求，采取恰當?shù)拇胧┰黾涌古?gòu)件的抗剪力，從而提升建筑結(jié)構(gòu)的整體抗震彈性值。（8）防震縫的合理設(shè)置。高層建筑結(jié)構(gòu)在日常使用過程中遭遇地震的可能性較小，但是也需要高度重視進行抗震設(shè)計。尤其針對強度較小的地震，更應(yīng)該提高重視。在進行具體設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)合理的設(shè)置抗震縫。高層建筑的實際平面結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，在進行設(shè)計時，要針對不規(guī)則結(jié)構(gòu)進行處理，并設(shè)置恰當?shù)目拐鸾Y(jié)構(gòu)，留置合理的抗震縫。在具體設(shè)置時，設(shè)計人員可以對平面結(jié)構(gòu)進行分區(qū)，使其形成較為簡單的結(jié)構(gòu)單元。而在具體設(shè)置抗震縫的過程中，工程人員也需要關(guān)注抗震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)體系，若結(jié)構(gòu)體系不一致，則要以較為不利的抗震場景為基準進行抗震縫的優(yōu)化設(shè)計，可以對寬度進行收窄或擴寬，同時還可以結(jié)合相鄰建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降情況合理的設(shè)置沉降縫。

3 結(jié)束語

高層建筑已經(jīng)成為當前主要的建筑形式，高層建筑的設(shè)計工作較為復(fù)雜，需要設(shè)計人員具有較高的結(jié)構(gòu)意識和質(zhì)量意識，尤其針對不規(guī)則結(jié)構(gòu)，在進行設(shè)計時，更要精準掌握設(shè)計細節(jié)，把握設(shè)計要點。在具體設(shè)計時，應(yīng)針對實際的工程案例進行不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分析，找出需要進行不規(guī)則設(shè)計的部位，有針對性的開展設(shè)計工作，確保高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的豎向、橫向結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，同時也要彰顯出良好的抗震性能，不斷提升高層建筑整體效益。

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