不规则建筑结构优化设计研究

不规则建筑结构优化设计研究

郭建平

湖北丰标建设工程有限公司

摘要：建筑项目施工时，在不同地理地质条件和环境下，会让建筑结构呈现不规则的形状，以满足建筑所在地的施工需要。本文首先阐述建筑结构不规则性的分类表现方式，分析了不规则性给建筑结构带来的影响。针对当今建筑结构的实际情况，探讨不规则性对建筑安全可靠性的影响，提出了优化改进建筑结构不规则性的意见和建议。

关键字：建筑结构；不规则性；研究

建筑结构的不规则性，在实际项目设计中是经常遇到的问题。在局限的地理地质条件下，建筑物不能设计为完全规矩的形状，就是建筑结构的不规则性的表现。但是这种不规则性的建筑结构，往往会带来更为创新性的设计方案，能更加完美地展示建筑设计师独特的设计理念。因此本文对建筑结构的不规则性进行研究，主要是探讨不规则的表现形式，不规则建筑的受力特点对建筑结构的影响，探索优化改进高层建筑结构不规则性的方法和措施。

1不规则建筑结构的特性分析

建筑结构可分为规则和不规则两种类型，我国早期建筑的结构基本都是规则的，随着建筑业的不断发展和人们审美观念的变化，对建筑结构布局的灵活性、多变性提出了越来越高的要求，各种平立面形式复杂和不规则的建筑结构开始涌现，虽然不规则结构在外观上带给人们新奇的感觉，但却给结构设计工作增添了一定难度。不规则建筑的出现与我国建设用地缺乏和人口激增有着密切的关联，为在有限的区域内对可利用空间进行最大化利用，建筑设计师依据因地制宜的原则进行结构设计，而在这一前提下，各种不规则的建筑结构随之出现，其中以高层建筑居多。不规则的建筑结构既有优点也有不足，其给整个城市带来了浓厚的现代气息，体现着人们对精神文明的不懈追求。与此同时，不规则的建筑结构会导致建设成本增加，有些甚至会引起应力局部集中的情况，若是发生地震，则会对建筑结构造成毁灭性的打击。不仅如此，形态过于不规则的建筑会产生出较大的扭转力，即使在没有地震荷载的情况下，其稳定性也会受到一定程度的影响。

2建筑结构中常见的不规则性设计

2.1整体不规则

建筑结构整体的不规则是因为楼层质量中心的偏移或受施工条件等方面的限制，使建筑呈现出整体不规则的特点。质心的偏移主要是由建筑自重与荷载的分布变化引起，在这两种因素的联合作用下，导致建筑结构的几何中心无法完全重合。施工条件的限制具体包括技术、材料、构配件尺寸等多方面因素的影响，这些因素的存在使建筑结构的刚度具备了不确定的特性，由此易引起刚度中心发生偏移，整个建筑结构会因此而出现扭转现象。

2.2平面及竖向不规则

平面与竖向不规则的主要类型见表1。

表1平面与竖向不规则的主要类型及特征

3不规则建筑结构设计的优化方法

3.1受力状况分析

框剪结构是由框架和剪力墙组合而成的一种建筑结构体系，当其受到水平荷载作用时，整个框架结构会呈现出剪切型的变形曲线。相关研究结果表明，楼层越高，层间位移的变化越明显；剪力墙在受到水平荷载作用时，会呈现出弯曲的变形曲线，其水平位移的幅度也与楼层高度有关，即高度越大位移越大。在对框剪结构体系的剪切刚度计算的过程中，根据规范要求，应引入抗侧力刚度值，若结构刚度扩大，其转角β则会随之减小，当刚度增大至一定程度时可忽略转角，并将之作为固定值进行计算。

3.2结构内力分布

在框剪结构的建筑中，楼层的剪力主要是由剪力墙承担，由于剪力墙在结构下部的层间变形并不明显，且其会受到框架变形的影响，剪力墙部分承受的剪力较大，框架部分承受剪力较小，当楼层高度升高后，墙体底部的扶持效应会随之减小，此时剪力水平会发生变化。

3.3优化设计方法

3.3.1对周期比进行优化

在建筑结构设计中，扭转效应的控制是较为重要的环节，而周期比是关键性的控制指标。所谓的周期比，具体是指以结构扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期的比，即Tt/T1。在不规则结构设计中，通过周期比的优化可达到对结构扭转变形进行控制的目的，由此可使扭转变形小于平动变形，使地震作用下的扭转效应转变为非主振动效应，从而防止不规则结构扭转破坏问题的发生。相关规范标准规定，A级高层建筑的结构周期比应不大于0.9，B级应不大于0.85。目前，三维组合结构有限元分析软件（SATWE）是建筑结构设计中较为常用的一款设计软件，但由于该软件无法自行计算出周期比，因此设计人员需按相关计算结果及振型特征进行判断计算，若周期比与规定要求不符，则可采取相应的方法对结构设计方案进行优化改进，如增强周边主体结构，弱化内部主体结构，提高结构抗扭刚度等，具体方法的选用可结合实际工程进行确定。

3.3.2对受剪承载力比进行优化

受剪承载力比主要是针对结构中相邻的楼层而言，其是两个相邻楼层间抗侧力的比值，在不规则结构设计中，该比值是竖向不规则控制的关键性指标。根据相关规范标准的规定，建筑楼层间的抗侧力受剪承载力与上层结构受剪承载力之间的比值不得超过0.8，A级不规则建筑结构不得小于0.65，B级不得小于0.75。若比值低于0.8，则表明该层中存在薄弱层，在对地震剪力进行计算时须乘以1.15的增大系数。虽然三维组合结构有限元分析软件能够计算并输出不规则结构中各个楼层的受剪承载力比值，但在具体设计中，设计人员应对该层中是否存在薄弱层进行判断，并据此对地震剪力进行优化调整。

3.3.3对层间位移比进行优化

层间水平位移比就是通常所说的结构位移比，它是楼层最大水平位移与两端平均水平位移间的比值，在不规则结构中，该比值是控制平面不规则性的关键指标。相关规范规定，规则的建筑结构位移比应不超过1.2，A级不规则建筑的位移比应不大于1.5，B级应不大于1.4。三维组合结构有限元分析软件能够分别输出基于下列影响因素的位移比供结构设计人员选用：单向地震荷载作用力影响，双向地震荷载作用力影响以及偶然偏心影响等。在对位移比进行优化调整时，应结合工程实际情况，如某楼层最大层间位移角绝对值较小，可适当放宽偶然偏心影响的位移比限值。

3.4结构不规则设计中的注意事项

在对框剪结构进行设计时，应遵循均匀的原则对剪力墙进行布设，同时还应对关键性参数进行合理控制，剪力墙的自重及其本身所具有的延伸性也应予以充分考虑。对剪力墙平面结构的优化是设计重点，通过优化后，除可增强结构刚度外，还能提高其抗震性能。对扭转不规则的建筑结构，可将结构位置的优化调整作为设计重点，设计人员应明确扭转不规则指标突破程度增大对位移的影响，这样才能使设计出来的不规则结构具有良好的抗震性。

4结束语

综上所述，在建筑结构设计中，不规则结构日益增多，虽然这种结构符合人们不断提升的审美需求，但其抗震性能不足，一旦发生地震，会对不规则结构造成严重的破坏，极有可能造成倒塌现象。为尽可能避免此类问题的发生，应在具体设计中采取合理可行的优化方法，增强不规则结构的抗震性能，提高结构的稳定性、耐久性和安全性。

参考文献

[1]计晓新.不规则建筑结构设计分析及优化[J].大观周刊,2020(19):251.

[2]包忠燕.建筑结构设计不规则性的若干研究及分析[J].建筑技术开发,2017,44(14):2-3.DOI:10.3969/j.issn.1001-523X.2017.14.002.

[3]孙超.建筑结构设计不规则性的若干研究及分析[J].中国房地产业,2018(29):205.

[4]张林晨.高层建筑结构抗震设计要点及其优化措施[J].建筑工程技术与设计,2016(14):664.