豎向和平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

張雪鵬

（山西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西太原 030013）

0 引言

近些年，隨著城市中高層建筑的逐漸興起，尤其是摩天大樓的拔地而起。建筑結(jié)構(gòu)數(shù)量和建筑層數(shù)不斷增多，同時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也提出更高的要求。盡管在常規(guī)設(shè)計(jì)中，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是平面和立面的規(guī)則性越好，結(jié)構(gòu)的豎向承載力和抵抗地震作用力越強(qiáng)。但隨著時(shí)代的發(fā)展和造型多樣化，建筑外形逐漸向不規(guī)則狀和不均勻性發(fā)展，如廣州塔、中央電視臺(tái)大樓等呈豎向和平面內(nèi)不規(guī)則狀，這代表我國(guó)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平進(jìn)一步提高。不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)也較多，如建筑外觀個(gè)性化和美觀，解決了空間的不足、受場(chǎng)地限制的問(wèn)題等。但不規(guī)則建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)建筑[1-5]。

1 高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的主要類(lèi)型

高層建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)主要包括兩種類(lèi)型：①豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)；②平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

1.1 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(lèi)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)。①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；②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；③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(jiàn)，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?；诖耍诟邔咏ㄖ灰?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：①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；②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)。

1.2 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(lèi)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)。①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；②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；③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。

2 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)量得到顯著提高，在此背景下，也對(duì)建筑設(shè)計(jì)表現(xiàn)出多樣化、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?chē)h(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。現(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)、施工等工作提出更高的要求、帶來(lái)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。

3 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(kāi)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(jiàn)，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。

3.1 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。

3.2 降低相對(duì)偏心距

降低結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距，主要是為了有效控制結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。高層建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與建筑高度呈正比，高度越高其扭轉(zhuǎn)效應(yīng)越明顯。在降低結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距時(shí)，主要是通過(guò)減小結(jié)構(gòu)的層間位移，從而實(shí)現(xiàn)減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)?；诖嗽?，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為降低結(jié)構(gòu)相對(duì)偏心距，可通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的平面布置和空間分布，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定。

在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，還可采取一定有效措施降低結(jié)構(gòu)的相對(duì)偏心距。因此在制定設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑所在地的抗震設(shè)防烈度及場(chǎng)地信息和建筑的外形，制定調(diào)整相對(duì)偏心距的具體方案，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙中較為醒目的標(biāo)注出偏心距的位置，確保不規(guī)則高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)性與合理性。

3.3 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)。

3.4 設(shè)置防震縫

不規(guī)則高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)設(shè)計(jì)有效的防震縫，避免地震作用下結(jié)構(gòu)具有自由擺動(dòng)的空間，減小結(jié)構(gòu)破壞的程度。高層建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，往往受到各種條件的約束，會(huì)設(shè)計(jì)為較為復(fù)雜的平面形狀，因此只有設(shè)置有效的防震防才可將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的多個(gè)結(jié)構(gòu)單元。在不同結(jié)構(gòu)體系的四周和不同地震效應(yīng)的建筑外側(cè)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和抗震驗(yàn)算結(jié)果，在滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范的前提下，設(shè)置合理的防震縫寬度。當(dāng)高層建筑與鄰近建筑存在較大的重量差異時(shí)，亦可考慮使用防震縫代替沉降變形縫進(jìn)行處理。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑是目前城市建筑的主流，未來(lái)高層建筑發(fā)展的方向是建筑更高、外形不規(guī)則。體現(xiàn)當(dāng)代人追求的建筑美觀和個(gè)性化，成為現(xiàn)代建筑的主流趨勢(shì)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)遇到各種形式的外形不規(guī)則建筑，此種建筑外形成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。盡管不規(guī)則建筑具有較好的建筑美觀和個(gè)性化，可解決一定的用地困難或具有良好的建筑使用空間，但工程造價(jià)較大。無(wú)論建筑外形的規(guī)則與否，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，均應(yīng)采用科學(xué)合理的方法控制結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。對(duì)此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、提高結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載承載力、降低相對(duì)形心偏心距和設(shè)置有效的防震縫等措施，使不規(guī)則建筑的承載力滿足國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的要求。