高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

李非非 王超級(jí) 周興衛(wèi)

【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(jì)人員的重視。因而在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)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(jì)方案?；诖嬖诘拇罅慷囝^形凹凸不規(guī)則平面、A級(jí)高度住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的研究，從復(fù)雜體型超限高層建筑結(jié)構(gòu)的界定出發(fā)，探討扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與平動(dòng)周期、扭轉(zhuǎn)周期比、位移比等參數(shù)的控制問(wèn)題。本文就主要對(duì)建筑工程不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;不規(guī)則;結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

1、導(dǎo)言

近20年來(lái)，我國(guó)高層建筑工程的建設(shè)數(shù)量大幅增加，尤其是A級(jí)高度的高層居住建筑的數(shù)量劇增，居世界前列。由于建筑使用功能、土地利用率、美觀等要求導(dǎo)致建筑平面不規(guī)則、使得建筑結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化。從構(gòu)建科學(xué)合理的不規(guī)則建筑信息模型入手，設(shè)計(jì)出不規(guī)則建筑平面各設(shè)備的數(shù)據(jù)模型，優(yōu)化建筑數(shù)字化平面設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)線路進(jìn)行設(shè)計(jì)，深入研究不規(guī)則建筑平面設(shè)計(jì)中各種關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法，提高不規(guī)則建筑專業(yè)的設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量、水平。

2、不規(guī)則建筑造型數(shù)字化平面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的不規(guī)則建筑造型數(shù)字化平面主要功能包括不規(guī)則建筑設(shè)計(jì)相關(guān)信息的收集、分類、加工以及輸出，四位一體的數(shù)字化平面設(shè)計(jì)需要科學(xué)合理的不規(guī)則建筑信息模型。以此為基礎(chǔ)，能夠保證不規(guī)則建筑專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不規(guī)則建筑的平面關(guān)聯(lián)約束設(shè)計(jì)。

3、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的具體形式

3.1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(jiàn)，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(xì)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(jìn)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(gè)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(qiáng)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。

3.2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(kāi)洞后每一邊的凈寬長(zhǎng)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(jiàn)，且與層間位移密切相關(guān)，因而也會(huì)直接影響建筑的穩(wěn)固程度。

4、高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1錯(cuò)層設(shè)計(jì)

由于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)樓板不連續(xù)，應(yīng)對(duì)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)兩側(cè)各按一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層輸入進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算和配筋計(jì)算。需要特別指出的是現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，可將錯(cuò)層的樓層按一個(gè)樓層輸入，通過(guò)調(diào)整節(jié)點(diǎn)高度或構(gòu)件的高度來(lái)達(dá)到錯(cuò)層的布置，軟件處理時(shí)并不能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，但是計(jì)算結(jié)果卻很不合理，對(duì)采用如此方法建模的錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意核查其合理性。另外，計(jì)算軟件不能區(qū)分真實(shí)樓層和計(jì)算樓層，所以軟件輸出的計(jì)算位移比不能直接采用，應(yīng)根據(jù)軟件輸出的位移，手工計(jì)算復(fù)核位移比。

（1）錯(cuò)層處的框架柱截面高度不應(yīng)小于600mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30，箍筋應(yīng)全長(zhǎng)加密，且應(yīng)該滿足短柱的體積配箍率?？拐鸬燃?jí)應(yīng)提高一級(jí)。（2）錯(cuò)層處的剪力墻厚度抗震時(shí)不應(yīng)小于250mm，并應(yīng)設(shè)置與其垂直的墻肢或扶壁柱，抗震等級(jí)應(yīng)提高一級(jí)?；炷翉?qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30，應(yīng)加大水平和豎向分布鋼筋的配筋率。（3）若錯(cuò)層處的框架柱和剪力墻不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可在框架柱和剪力墻內(nèi)設(shè)置型鋼，增強(qiáng)框架柱和剪力墻的延性。

4.2防震縫的合理設(shè)置

在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理的設(shè)置抗震縫。高層建筑的實(shí)際平面結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要針對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，并設(shè)置恰當(dāng)?shù)目拐鸾Y(jié)構(gòu)，留置合理的抗震縫。在具體設(shè)置時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分區(qū)，使其形成較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元。而在具體設(shè)置抗震縫的過(guò)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(chǎng)景為基準(zhǔn)進(jìn)行抗震縫的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以對(duì)寬度進(jìn)行收窄或擴(kuò)寬，同時(shí)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。

4.3豎向體型收進(jìn)的具體處理

某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(jìn)現(xiàn)象，具體的體型收進(jìn)高度和收進(jìn)后的平面寬度分別為11.1m和12.7m，基本達(dá)到建筑總高度的17%與下部樓層對(duì)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(duì)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(duì)豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)關(guān)注抗震增強(qiáng)設(shè)計(jì)?；诖?，應(yīng)針對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱層，以多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值為基準(zhǔn)，以該值的剪力乘以1.25的增大系數(shù)。而在進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員則要保持上部收進(jìn)樓層和相鄰下部樓層對(duì)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(jí)達(dá)到強(qiáng)度要求，由此可以保證使兩個(gè)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(jì)活動(dòng)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從提高建筑結(jié)構(gòu)塑性角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)地震影響系數(shù)進(jìn)行預(yù)估，在彈性時(shí)程分析法下進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，提高抗震設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度。

4.4提升周邊抗扭構(gòu)件的抗剪力

高層建筑的設(shè)計(jì)人員在優(yōu)化不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)體系時(shí)，應(yīng)做好對(duì)周邊抗扭構(gòu)件抗剪力的提升設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(dāng)出現(xiàn)地震時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)受到雙向的水平地震作用力的沖擊，由此會(huì)出現(xiàn)重心的變化，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)?；诖耍O(shè)計(jì)人員需要注重抗扭構(gòu)件這一細(xì)節(jié)，要能夠結(jié)合抗震性能的具體要求，采取恰當(dāng)?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。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)的錯(cuò)層變化豐富，層次感非常強(qiáng)，錯(cuò)層結(jié)構(gòu)是運(yùn)用廣泛的一種結(jié)構(gòu)。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)實(shí)際的工程案例進(jìn)行不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分析，找出需要進(jìn)行不規(guī)則設(shè)計(jì)的部位，有針對(duì)性的開(kāi)展設(shè)計(jì)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(shí)也要彰顯出良好的抗震性能，不斷提升高層建筑整體效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪瓊.數(shù)字化時(shí)代視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)的創(chuàng)新性研究：評(píng)《視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)實(shí)踐》[J].新聞愛(ài)好者，2018，41（3）：101.

[2]陳興旺.多高層錯(cuò)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的若干技術(shù)措施分析[J].河南建材，2018（4）：462-463.

[3]周江，沈倩.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的研究和應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2019，4（04）：195-196.