高层建筑结构设计不规则性研究

高层建筑结构设计不规则性研究

乔小奇

乔小奇西安市住宅建筑设计研究院710001

摘要目前很多高层建筑在结构上表现出不规则的特性。对现代建筑设计技术提出了极为严峻的挑战。进而提高了结构工程师对一些建筑在结构设计方面的要求。本文简要论述了当前高层建筑结构设计不规则性的特点和形势。介绍了其划分及包含的结构类型。并且分析其在建筑设计领域中的应用情况。为高层建筑的结构设计提供了重要的参考依据。

关键词高层建筑结构布置不规则性结构设计

随着社会的快速发展，人民的生活水平不断提高，对居住环境也提出了更高的要求。基于这种原因，建筑与结构设计师面临着更大的挑战，建筑结构趋于不规则设计已经成为当今时代的潮流，而当不规则设计在建筑工程中出现后，建筑自身的刚度、强度等关键指数将会随着不规则的结构而出现不连续、不规则的现象。

不对称结构、质量不规则结构、斜向抗侧力结构等都属于不规则的结构。不规则的结构往往会出现一些应力集中的部位，这些部位一旦受到较大的水平力会最先达到屈服，严重时会导致破坏。另外，不规则的结构还会产生较大的扭转力，对结构是非常不利的，与此同时，还会增加结构耗材成本，这对于建筑工程的顺利进行也是非常不利的。在实际设计操作的过程中，设计人员必须要针对建筑工程自身的构造，对其所牵扯到的各个方面进行详尽的规划、设计、施工，使建筑在不规则的结构形式下，仍然能够保证建筑结构的稳定和安全。因此，对不规则的高层建筑结构设计进行研究是很有必要的。

一、高层建筑中不规则的结构划分

抗震规范把不规则的建筑方案分为3个级别，如下：

1）一般不规则：按规范、规程的有关规定采取加强措施；

2）特殊不规则：经过专门研究和论证后采取高于规范"规程规定的加强措施，对于高层建筑应严格按建设部令第Ⅲ号进行抗震设防专项检查；

3）严重不规则：应要求建筑师予以修改、调整。

不规则的建筑结构有两种不同的形式即平面不规则和竖向不规则结构。

1．平面不规则结构的类型

平面不规则主要包括3种类型，即楼板局部的不连续、凹凸不规则、扭转不规则。主要从以下3个方面对平面不规则的结构进行考虑。

（1）平面质量偏心

对于截面尺寸不同的结构构件，会导致质量偏心的产生，另外，质量偶然偏心会由于结构施工、使用等因素出现!现行国家标准《抗震规范》规定，对平面规则的结构，采用增大边榀结构地震作用效应的简化方法考虑偶然偏心的影响!对于高层建筑而言，和国外有关标准的规定一致，规定直接取垂直于地震作用方向的建筑物每层投影长度的5%作为该层质量偶然偏心来计算单向水平地震作用。

（2）平面刚度偏心

平面刚度包括平面内和平面外刚度，平面内刚度就是指和载荷作用方向一致的刚度，平面外刚度就是指和载荷作用方向垂直的刚度!基于结构实际构件与理想化模型的差异、构件所受载荷的不同、施工环境的复杂性等因素，导致了结构平面刚度的不唯一性，即产生一定程度的偏小!

（3）平面强度偏心

平面应力和平面应变都是源自简化空间问题而设定的概念。平面应力是指所有的应力都在一个平面内，平面应变是指所有的应变都在一个平面内。

一般来说，平面质量偏心和平面刚度偏心是两种非常常见的偏心现象，而我们却往往忽略强度偏心对结构造成的影响，在实际当中，所配制的混凝土选用各种型号的钢筋以及钢构件都有很大的不确定性，这就导致了结构的设计强度与实际强度有很大的差异，在构件截面处会导致强度偏心的出现，施工与技术人员也难以控制该现象的发展，故不能忽略结构构件产生的平面偏心现象。

2.竖向不规则结构的类型。

在实际生活当中，会有很多的竖向不规则的结构出现，诸如某楼的设计是中间细、上下粗的外形，这种不规则的结构会导致楼层承载力突变，如果考虑不全面，将会对整个结构产生很大的影响。

竖向不规则主要包括3种类型，即竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变、侧向刚度不规则。

二、不规则高层建筑结构设计中应采取的措施

目前全国各地不规则的高层建筑到处可见，由于地理位置的不同，所采用的规范也有所不同。对于不规则的高层建筑来说，因其自身存在的缺陷，地震对其影响较大，不规则环节即是薄弱环节极易出现破坏的现象。

在这之中一个非常关键的因素便是扭转效应，较大的扭转力或力矩会产生非常强烈的扭转效应，为了保证高层建筑的稳定、安全，就必须对结构所存在的扭转效应进行限制。

1.为了更好地限制其发展可以从以下几个方面进行考虑。

（1）合理布置建筑结构中的不规则的部件减小结构中出现的偏小现象，避免建筑出现大幅度的扭转效应!

（2）扭转强度又称抗扭强度，就是材料在扭转力的作用下抵抗材料被破坏的能力建筑结构中的扭转强度会在相对薄弱的部件出现扭转性能差的现象，降低结构的扭转效应，就必须强化结构的各个薄弱环节，从而防止建筑结构某些部分的扭转性能过差。

2.减少建筑结构扭转效应的主要方法。

（1）提高周边抗扭构件抗剪力

当建筑结构受到双向水平地震作用，处于弹性时期时，建筑结构形态会因回弹不发生变化，而当其处于非弹性时期时，形态会发生变化，从而出现偏心现象!依据抗震规范并结合建筑结构的抗震性能，提高周边抗扭构件抗剪力也就是使建筑结构可以在强震作用下仍能处于整体弹性状态。

（2）抗震设计时，设置防震缝

应用防震缝的目的是将房屋分成若干形体简单"结构刚度均匀的独立部分，为减轻或防止相邻结构单元由地震作用引起的碰撞，从而导致房屋的破坏，这在进行结构方案设计时有重大的指导意义。

（3）减小建筑结构的相对偏心距

从大量试验数据及实践工程中总结出，减小建筑结构的相对偏心距可从以下几个方面进行：

因建筑自身结构所存在的偏心距和扭转效应有着直接的关系，减小建筑楼层的位移比可大幅度提高建筑的整体结构性能；对建筑结构自身的平面不规则性进行良好的布置。

（4）调整建筑结构抗侧刚度和抗扭刚度比

在既不能加强周边剪力墙也不能削弱中部剪力墙的情况下，可以适当加强周边框架梁的刚度，从而对结构整体形成套箍效应，这样可以明显降低其扭转效应。

三、结语

随着高层建筑的发展，其结构平面、立面布置趋向复杂化，一方面对结构设计提出了更高要求，另一方面，对特殊问题应进行进一步的研究，以提高结构抗震抗风与受力性能!因此，对于不规则的高层建筑来说，整体结构如何布置，薄弱环节如何最大限度地减少，计算机计算如何降低误差等问题仍任重道远。今后若干年，我国仍将是世界上高层建筑建设最多的国家，大量的建设工程，会为我们提供发展的机遇，但是对于高层建筑尤其是不规则的建筑必须加强相关研究工作，形成有中国特色的高层建筑结构相关标准、体系。本文提出的一些有关不规则的高层建筑设计理论和在实际当中采用的措施将为高层建筑的结构设计和施工提供重要的参考依据。

参考文献

[1]赵丽。浅谈高层建筑结构分析与设计[J]山西建筑，2011

[2]安志宏.高层建筑结构设计不规则性的研究与应用[J]长春：吉林大学，2009