高层建筑中不规则性结构设计的要素研究

在建筑的结构设计中理想的绝对规则、对称的建筑物几乎上是不存在的。平面凸凹不规则、楼板局部不连续、不规则、竖向刚度不连续性、不规则属于平面不规则的建筑结构。建筑结构的不规则对结构设计提出了严峻的挑战。本文就高层建筑中不规则性结构设计的要素进行了论述

一、荷载的传力直接

荷载的传力直接是结构设计的基本要素之一。它的含义是使建筑物所受到的荷载能够通过最简捷明快的方式和途径从荷载的作用点传递到最终持力点。

（一）垂直荷载的传力直接；

垂直荷载是建筑物的自身和其楼、屋面的使用活荷载，北方地区包括屋面的雪荷载。它是建筑结构所承受的最基本荷载，长期作用在建筑物上。垂直荷思的传力通常是指由楼屋盖梁板垂直荷载的受力点通过楼屋面板、梁将垂直荷载传递到竖向构件墙、柱、而后由墙柱逐层传递到基础。这里要注意的是：

1楼面盖梁系的布置，应尽量使垂直荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去。必须清醒的是，在正常工作条件下，垂直荷载并不以人为的计算假定来传递转移，而是根据实际结构布置中，构件的竖向刚度来传递和转移，既刚度大的构件将比刚度小的构件接受更多的荷载，这是在结构设计中尤需注意的，以免失误。

2竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直荷载作用下的压应力水平接近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移，这点同样可以应用于基础设计中。要注意使基础反力水平接近、刚度均匀。

3转化结构的布置，应尽量做到使上部结构竖向构件传来的垂直荷载通过转换层一次至多二次转换即能传递到下部结构的竖向构件上去。这就要求在进行带转换层建筑结构设计时，建筑师、结构工程师要密切配合，上部、下部建筑结构要贯穿一体整体考虑设计，不能顾此失彼、互补相干。一个好的建筑设计必然也是一个好的结构设计，它们之间的完美统一才是最终目标。那种将上下两部分建筑结构截然分开，依赖于“厚板”的转换设计概念即不经济也不合理，给结构也带来了隐患。

（二）水平荷载的传力直接；

风荷载是高层建筑结构经常承受的重要水平荷载。从整体上来说，高层建筑结构在风荷载作用下要满足结构顶点水平位移、层间水平位移的一定的限值要求，避免因整体结构过大的侧向变形对结构产生不利的附加效应和引起非结构构件填充墙、幕墙、电梯的破坏，从而影响建筑的正常使用。同时高层建筑结构通常还要满足风震加速度的一定限值要求，避免因振动过大，使建筑物中的人们生活、工作不舒适，影响建筑物的使用。风荷载常是首先作用在建筑物表面的墙体、门窗等建筑配件上，再传递到楼屋盖及周边竖向构件，而后通过整体结构逐层下传递到基础，因此，直接受风荷载的建筑垢配件首当其冲，它们要计及局部风压增大的效应，要具有足够的强度、刚度来承受直接的风荷载作用。

地震荷载是高层建筑结构必须要考虑所发生的另一个重要水平荷载。地震荷载是由于地面运动（地震）而引起地面以上建筑结构受迫振动产生的动力荷载。地震作用实际上是一种惯性力。由于地震波引起房屋基础下的土体的晃动，继而致使房屋的上部结构发生摇晃和颠簸，使结构自身受到了力的作用。这种力的作用，就称为地震作用。

鉴于地震波在土体中的传播特性，地震作用有水平方向和竖向方向两种，而对高层建筑结构影响大的，是水平方向的地震作用或称为水平地震作用。所以在设计中要考虑水平地震作用，只有在9度设防的高裂度区，才同时又考虑竖向地震作用。事实上，地震是个动力作用施于结构的过程，故在理论上，以时程分析法来反映地震作用对结构的影响，是比较合适的，但应用繁琐。水平方向的地震作用虽然以水平荷载的形式出现，但它与风荷载多有区别而不可替代。这是因为：

l）风荷载是直接施加于建筑屋表面上的压力，而地震作用却是由于质量受震动而引发的惯性力。因此，风荷载只和建筑物的体型、高度、环境（地面粗糙度、地貌、周围的群楼），受风面积大小等有关；而地震作用与建筑物的质量、结构自身的性能、地震烈度、场地土特性有关；减轻重量与减少刚度，均2）风荷载的作用时间长，有时甚至可达数小时，发生的机遇、频率也多，因而要求结构在风荷载作用下，不能出现较大的变形、结构自身和装修、非承重构件等不容许出现裂缝，结构应处于弹性工作状态；相反，发生地震的机遇少，万一发生地震，它的持续时间也很短，一般为几秒或几十秒，但作用剧烈。

地震荷载和风荷载一般都主要表征为水平荷载。高层建筑结构抵抗水平荷载主要依靠其空间整体抗侧力结构。水平荷载的传力直接的含义是：

1）整体抗侧力结构必须体系明确、传力直接，抗侧力结构一般由框架、剪力墙、筒体、支撑等组成，它们宜尽量贯通连续，若它们沿竖向要有变化，则变化要缓慢均匀。

2）作为一个实际的高层建筑结构，其抗侧力结构通常是一个三维空间结构，为要使此空间结构中各部分抗侧力结构都能有效参加抗侧力工作发挥作用，最基本的要求是楼屋盖要具有一定的刚度和强度，以能可靠有效传递水平力，协调空间结构中各部分抗侧力结构工作。

二、结构的合理刚度。

1楼屋盖结构的刚度合理，主要是指楼屋盖梁板断面尺寸选择合理、布置适当。楼屋盖结构刚度过小，梁板变形过大，影响美观，也容易造成地面装修、填充墙、门窗损坏，且容易在人行、设备运行时引起振动，影响设备正常运行和人们正常工作生活；楼屋盖结构的刚度过大，梁板断面大，结构自重增加，结构占据的空间过大，也影响建筑使用，同时将增加建筑物的成本。

2主体抗侧力结构的刚度合理是高层建筑结构设计的重要指标之可以使地震作用降低。

首先主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的水平位移、整体刚度、强度延性的要求，保证高层建筑结构能正常工作，这是高层建筑结构主体抗侧力结构的刚度的下限值，必须满足。但是，特別要指出的是，高层建筑结构抗侧力结构的刚度不宜过大，应该合理。

三、建筑空间的利用

结构尤其是高层建筑在一个建筑中必定占据一定的空间。结构如何和建筑巧妙的结合，为建筑创造尽量更多的有效的使用空间，也是高层建筑结构设计的重要指标之一。扁梁框架、宽扁梁框架在高层建筑结构中的合理利用，有效地提高了建筑空间和使用空间，降低了建筑层高，改变了结构的延性，具有明显的综合技术经济效益，是高层建筑空间利用的一个好典型。近年来在筒体和整体结构高宽比很大的高层、超高层建筑结构中，利用避难层、设备层设置刚性加强层，在筒体和面广量大的楼面框架梁尺寸并没有过多增大的情况下，有效提

高了结构抗侧刚度，满足了建筑、结构的使用要求，保证了建筑平面使用系数和建筑使用空间，是建筑空间利用的又一个好典型。

1唐兴荣《高层建筑转换层结构设计与施工》。北京：中国建筑工业出版社，2002

2赵兵陈首《如何进行地下室刚度的正确计算.》上海：PKPM新天地，2004.2

3龚思礼《建筑抗震设计手册》北京：中国建筑工业出版社，2002。

作者简介：李默，男 ，河北省石家庄市井陉县天长镇，1988年4月15日， 上海浚源建筑设计有限公司河北设计院，助理工程师评工程师。