不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

毛新征 王燕鵬

摘要：在現(xiàn)代城市發(fā)展中，高層建筑已經(jīng)成為不可或缺的一部分，在提高土地利用率等方面發(fā)揮著重要作用。然而，由于建筑高度的增加、功能的復(fù)雜化，結(jié)構(gòu)造型越來越新穎，各種不規(guī)則情況屢見不鮮。與規(guī)則建筑相比，不規(guī)則高層建筑在地震作用下極易發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞，由此對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求?；诖?，對(duì)不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究，以供參考。

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

引言

現(xiàn)代城市發(fā)展的過程中，涌現(xiàn)出了一系列造型別致的不規(guī)則性建筑結(jié)構(gòu)，但是在建筑強(qiáng)調(diào)美觀的同時(shí)更重要的還是其安全性以及實(shí)用性，這種不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)在發(fā)展的過程中也因此遇到了一些問題，需要相關(guān)設(shè)計(jì)人員細(xì)心的分析各種因素并且找出相關(guān)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行合理的布置，以滿足建筑的實(shí)際需求。

1不規(guī)則結(jié)構(gòu)的定義

不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)源于人們對(duì)建筑外形、功能的追求，其在達(dá)到高層建筑各種功能要求的同時(shí)，也滿足了視覺審美要求。然而，此種情況也給結(jié)構(gòu)工程師帶來了巨大挑戰(zhàn)，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)心、剛心不重合，在地震作用下，極易發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形。目前，根據(jù)JGJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）、GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版，以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下劃分：1）平面不規(guī)則：包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)等情況。其中，扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)是指在規(guī)定水平力作用下，樓層最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）超過該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）均值的1.2倍;凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)是指平面凹進(jìn)尺寸超過相應(yīng)投影方向總尺寸的30%;樓板局部不連續(xù)則為樓板尺寸、平面剛度出現(xiàn)急劇變化。2）豎向不規(guī)則：包括側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層承載力突變等情況。其中，側(cè)向剛度不規(guī)則是指該層側(cè)向剛度未達(dá)相鄰上一層的70%，或是未達(dá)其上相鄰3個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%，除了頂層、出屋面小建筑以外，局部收進(jìn)水平向尺寸超過相鄰下一層的25%;豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)主要是指豎向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力通過水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件朝下傳遞的結(jié)構(gòu);樓層承載力突變是指抗側(cè)力構(gòu)件層間受剪承載力達(dá)不到相鄰上一樓層的80%。

2不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1對(duì)不規(guī)則部件進(jìn)行合理布局

為了盡量減少施工過程中意外事故發(fā)生的可能性，在建筑設(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)需要對(duì)不規(guī)則部件進(jìn)行合理的安排布置，從而避免由于不規(guī)則部件散亂排布而出現(xiàn)的較大幅度的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。除此之外，為了盡量保證建筑結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)定性，需要適時(shí)地對(duì)偏心距做出合理的調(diào)整，進(jìn)而改變平面的整體分布情況以及機(jī)構(gòu)的空間分布情況。相關(guān)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該加強(qiáng)建筑邊緣的相關(guān)結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度，從而最大程度上降低外力因素對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)高層建筑在受到雙向水平的地震作用后，在后續(xù)的彈性期間會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)相應(yīng)的形態(tài)因?yàn)榛貜椂话l(fā)生變化，但是在非彈性期間會(huì)發(fā)生形態(tài)變化而造成偏心的現(xiàn)象出現(xiàn)，使整個(gè)結(jié)構(gòu)處于受力不均勻的狀態(tài)下，為了實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)構(gòu)分布效果，應(yīng)該適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)建筑邊緣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少外力對(duì)其的不利影響。

2.2框架梁的抗震加固

在框架梁的抗震加固過程中，需重點(diǎn)落實(shí)的工作要點(diǎn)如下。（1）將梁的截面寬度穩(wěn)定在200mm及以下，將梁的截面高度與寬度之比穩(wěn)定在4及以下，將梁的凈跨與截面高度之比穩(wěn)定在4及以上;（2）將梁端縱向受拉鋼筋的配筋率控制在2.5%及以下水平，且計(jì)入受壓鋼筋的梁端混凝土受壓區(qū)高度和有效高度之比不得高于0.35;（3）梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋配筋量的比，除按計(jì)算確定外，不得低于0.3;（4）加密區(qū)的長(zhǎng)度、箍筋最大間距及最小直徑按規(guī)范完成確定，且當(dāng)梁端縱向受拉鋼筋配筋率高于2%時(shí)，要促使箍筋最小直徑應(yīng)增加2mm;（5）沿梁全長(zhǎng)頂面和底面的配筋，保證不低于214且分別不小于梁兩端頂面和底面縱向配筋中較大截面面積的1/4，框架梁內(nèi)貫通中柱的每根縱向鋼筋直徑，不高于柱在該方向截面尺寸的1/20;控制梁端加密區(qū)的箍筋肢距始終穩(wěn)定在不高于250mm和20倍箍筋直徑較大值的水平下。

2.3加強(qiáng)抗震性能

為了確保超高層建筑的安全性和穩(wěn)定性，建筑設(shè)計(jì)單位在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)付出了巨大的努力，并取得了重大的突破。根據(jù)我國(guó)2016年最新修訂的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到，建筑結(jié)構(gòu)可采用振型分解反應(yīng)譜方法，針對(duì)不規(guī)則建筑物、甲級(jí)建筑物和高度范圍超限的高層建筑，可采用時(shí)程分析法補(bǔ)充多遇地震的計(jì)算?？梢匀《鄺l時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果的平均值和多遇反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的較大值。目前，“延性結(jié)構(gòu)體系”是被建筑業(yè)采用最多的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系，即控制好建筑結(jié)構(gòu)的剛度，但在進(jìn)入地震時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入非彈性狀態(tài)，延性較大，以消耗地震能量，降低建筑對(duì)地震的反應(yīng)，使建筑物能達(dá)到“裂而不倒”的形態(tài)。采取擺動(dòng)、滑移、懸掛隔震等措施，改變建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，減少地震能量的影響，是一種極具發(fā)展前景的防震措施。超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所選結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足建筑物的功能要求，經(jīng)濟(jì)合理，施工方便。除滿足使用要求外，還應(yīng)盡量減少建筑的平面關(guān)系和形狀，如開間、深度、層高、層數(shù)等，柱網(wǎng)的布局和層高應(yīng)盡量統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)層應(yīng)重復(fù)使用。高層建筑的位移控制是首要因素，除考慮平面形狀和標(biāo)高的變化外，還應(yīng)提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，以減小結(jié)構(gòu)的位移。在結(jié)構(gòu)布置上加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度，加強(qiáng)構(gòu)件之間的連接，使結(jié)構(gòu)各部分以最有效的方式協(xié)同工作;應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性，以減少由于基礎(chǔ)的平移或扭轉(zhuǎn)引起的結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的影響。同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位和受力復(fù)雜部位應(yīng)加強(qiáng)強(qiáng)度。

2.4合理選擇假定計(jì)算條件及方法

在工程設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師往往選擇將樓板在平面內(nèi)剛度無限大與不變形作為假定條件。這一假定條件僅適用于多數(shù)高層建筑，而在部分高層建筑工程中，若樓板部位存在開洞或是出現(xiàn)樓板變形現(xiàn)象，則上述剛性樓板假定條件不具備適用性，如果仍采取原有計(jì)算條件與方法，將出現(xiàn)參數(shù)計(jì)算錯(cuò)誤問題，并降低建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合工程情況，合理選擇假定計(jì)算條件與計(jì)算方法。例如，當(dāng)存在樓板變形現(xiàn)象時(shí)，要著重考慮樓板變形問題所造成的具體影響，采取樓板等效受彎水平梁簡(jiǎn)化計(jì)算方法，或?qū)前鍎澐謫卧M(jìn)行處理，運(yùn)用有限元法加以計(jì)算。

結(jié)束語

綜上所述，在設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)選擇合理的處理方法，建立符合實(shí)際受力情況的模型，達(dá)到設(shè)計(jì)成果的經(jīng)濟(jì)性、安全性。為了提升建筑的安全性，須注重對(duì)各類結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選擇，選取適用性較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)軟件，做好結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計(jì)滿足安全系數(shù)的建筑，提升設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]王磊.高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].居舍，2020（24）：122-123.

[2]胡昌德.平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].綠色環(huán)保建材，2020（08）：72-73.

[3]毛維帥.高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].綠色環(huán)保建材，2020（06）：95+98.