高层建筑结构设计不规则性的研究与应用

郜志远 袁海梅

（中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南长沙 410006）

引言

在高层建筑设计中，要充分考虑建筑的抗震性、抗扭转性等强度保障因素，但是对于建筑结构的不规则性来说，这些因素往往更难实施，所以在结构设计的过程中，需要对这些因素进行合理设计，保证建筑的强度能够满足相关要求。另外在不规则性建筑的设计中，要在保证建筑结构科学性的基础上进行设计，让建筑的强度能够满足强度要求。

1 高层建筑结构设计不规则性的概念和发展现状

1.1 高层建筑结构设计不规则性概念和特点

高层建筑结构设计的不规则性除了指代建筑结构在外形上的不规则性，还指代在建筑在设计和施工中产生的能够影响建筑结构强度的不规则性因素，在建筑行业当前的发展中，这种不规则性表现为平面不规则性和竖向不规则性，这两种不规则性有不同的特点，具体分析内容如下：①平面不规则性。平面不规则性可细分为凹凸不规则性、扭转不规则性和楼板局部不连续性三种方式，在当前的建筑行业发展中，扭转不规则性的建筑数量较多，另外两种不规则性作为建筑设计和施工的固有属性，对建筑的影响较小，所以在具体的设计中，需要尽量消除建筑中产生的扭转不规则性[1]。②竖向不规则性。对于高层建筑来说，在设计和施工过程中更容易产生竖向不规则性，这种性质的产生会导致建筑在竖向抗侧力、竖向刚度等方面的强度不能满足安全运行要求，所以在当前的建筑行业中，已经广泛采取一些通用手段消除这种不规则性[2]。

1.2 高层建筑结构设计不规则性在我国的发展现状

在我够当前的建筑行业中，承建的各类不规则外形的建筑数量大幅提高，这种建筑虽然代表着我国的建筑行业获得大幅完善以及技术提升，但是在这种建筑的施工设计和施工过程中，对建筑本身的抗震性等参数关注度不足，相较于规则外形的建筑来说，这类建筑的抗震能力普遍较低。在这种建筑今后的结构设计过程中，需要采取合理措施提升建筑的整体强度，另外在建筑的结构设计过程中，也需要能够充分应用各类新型技术，最终让我国的基建技术能够充分提高[3]。

2 高层建筑结构设计不规则性需要重点关注的内容

通过上文的分析可以发现，高层建筑结构设计不规则性包括平面不规则性和竖向不规则性，另外通过对发展现状的研究可以发现，这类不规则建筑在抗震能力上通常存在缺失，所以在这类建筑的结构设计中，主要需要关注的内容为建筑的抗震性能。对于建筑的抗震能力来说，降低该性能的因素主要包括以下方面：①偏心距方面。当建筑结构的偏心距提高时，整个建筑结构在地震过程中更容易发生扭转，这种现象将大幅降低建筑的抗震能力，所以在建筑结构设计中需要对偏心距进行合理设计。②抗侧和抗扭转刚度比。在建筑的运行过程中，当建筑的抗侧刚度和抗扭转刚度较低时，建筑在地震过程中更容易遭到破坏，所以需要提高建筑这两个因素的强度。另外在建筑的设计中，还需要考虑建筑的震动周期，提高建筑的抗震能力。③建筑的抗剪力设计。在建筑的运行中，地震环境下建筑发生一定程度上的弹性形变能够降低地震的破坏程度，但是在系统运行中，在建筑设计中，需要考虑相关构建的抗剪力，从而让建筑能够提高弹性性能，保证建筑的结构稳定。

3 高层建筑结构设计不规则性的消除

3.1 相对偏心距设计

在不规则建筑的设计中，相对偏心距是影响建筑强度的一个最重要因素，在当前的研究中，已经发现当相对偏心距提高时，建筑的扭转效应也会加大，这两个参数在一定范围内呈现线性相关关系。而当建筑发生扭转效应时，建筑的承力性能会发生大幅下降，所以在建筑的结构设计中，需要降低建筑中产生的偏心距。在具体的建筑设计中，首先要了解建筑的用途以及布局，对于不规则高层建筑来说，建筑布局会对整个建筑的强度中心和重心产生很大影响，而通过对建筑布局的了解能够了解建筑的重心与强度中心位置，为后续的建筑结构科学设计打下基础。其次为对这些因素进行合理标注，在建筑图纸草图上对这些因素进行标注后，能够在后续的设计中对相关因素进行科学调整，从而降低整个建筑结构中产生的偏心距。最后为对建筑的结构进行优化，该过程的主要工作为对建筑现有的布局进行适当调整，同时在该过程的设计中，由于已经对刚度中心进行了标注，可以根据系统中产生的刚度中心对相关系统和构件进行加固，以充分降低建筑中产生的偏心距。

3.2 构件抗剪强度设计

在高层不规则建筑的抗震设计中，需要保证建筑本身具备一定的弹性变形能力，并且在地震后建筑能够恢复原有的运行状态，所以在具体的建筑结构设计过程中，需要对构件的抗剪强度进行合理设计。通常情况下，能够提供弹性变形的主要为建筑中的钢筋结构，但是在建筑的运行中，也需要保证这些结构有很高的抗剪强度，保证建筑能够安全稳定运行。当前针对建筑设计的这一要求，已经开发出了一些新型技术，例如建筑钢架结构强度，已经开发出了碗扣结构，这种结构的原理图，如图1所示。

图1 碗扣结构示意图

在这种结构应用中，建筑中的钢筋和钢管本身支持产生一定的弹性变形，满足建筑在地震发生过程中能够产生一定量的弹性变形，同时碗扣结构也能够避免在钢架变形的过程中产生脱扣、钢筋离散等问题，保证整个钢架系统能够对建筑产生稳定的支撑作用。另外对于不规则建筑中的各类子系统，也可以广泛应用这种结构提高钢筋之间的固结效果，最大限度保证建筑的整体强度。

3.3 抗侧刚度和抗扭刚度比值确定

在当前的研究中，发现建筑的周期与建筑的抗侧强度存在一定的比例关系，即抗侧强度与建筑的周期平方成反比关系，通过该关系可以发现，要保证高层级建筑有较高的抗侧强度，在建筑的结构设计中需要将低建筑的周期。要满足这一要求，在建筑的结构设计中可以对建筑的墙体进行加厚处理，同时提高剪力墙的长度，以达到提升不规则高层建筑的抗侧刚度要求，同时在加长剪力墙的过程中，也能够达到提升建筑抗扭刚度的效果。需要注意的是，在这种方式的应用过程中，需要深入考虑加强墙体厚度和长度对建筑重量、刚度中心位置等方面的影响，为了保证高层不规则性建筑在结构上的科学性与合理性，在该过程中需要做好结构与各类刚度参数间的协调工作。另外在该过程的设计中，为了进一步提升建筑的强度，还可以在相关部位设置拉梁，通常情况下这些拉梁将设置在建筑的结构边缘，从根本上提升建筑的抗扭能力，另外这种方式也能够降低建筑的抗扭周期，提高建筑的抗震能力。在具体的结构设计中，需要按照相关要求和规定对拉梁的布设长度、布设位置、布设位置等参数进行确定，保证拉梁能够发挥应有作用。

3.4 底层楼板和玻璃幕墙的抗震设计

3.4.1 底层楼板抗震设计

在高层建筑的抗震设计中，需要建筑物在经历地震后能够自主恢复，这就要求在建筑的设计过程中要对地基进行科学配置，同时应用新型技术让整个建筑的承力性能不发生改变。在当前的技术研发中，已经设计出了一套针对底层底板变形的系统，该系统的主体内容为隔震缝，在该系统中会设置伸缩缝框架，该框架一端与建筑的外墙连接，另一面应用大吸力磁铁与整个地板框架进行连接。在该系统的运行中，整个系统能够充分发挥吸收地震能量的目的，并且在地震发生后能够通过磁铁产生的吸力让整个系统恢复，保证建筑在结构上的完整性。另外对于一些建筑下拥有涵洞的结构，要保证建筑的各类桩体与涵洞中的箱体结构柱平齐，以实现对整个建筑的有效支撑。

3.4.2 玻璃幕墙抗震设计

在地震发生过程中，玻璃幕墙脱落容易引发各类次生灾害，所以在隔震设计中，也需要提升玻璃幕墙的抗震能力，另外在建筑恢复的过程中，这些玻璃幕墙也需要能够进行恢复。在当前的技术应用中，已经能够满足对玻璃幕墙抗震能力的有效提升。例如在乌鲁木齐机场的设计中，就采用了可伸缩框架技术，在该项技术的应用中，大量应用电磁铁连接玻璃与建筑的整体框架，保证玻璃幕墙能够随着建筑变形而发生变化的同时，也具备很高的强度。需要注意的是，在玻璃幕墙抗震设计的过程中，还需要重视幕墙的保温隔热性能。

3.5 其余提升方式

对于不规则性建筑来说，为了进一步提高建筑的整体强度，通常还需要采取各类辅助设施提供建筑的结构强度，其中最具代表性的为在系统中设置隔震缝。在隔震缝的设计过程中，需要根据建筑所在区域的地质情况确定抗震等级，另外在不规则建筑的结构设计中，往往还涉及玻璃幕墙等结构的大量应用，所以在隔震缝的设计过程中，隔震缝涉及幕墙隔震缝、楼板隔震缝、地面隔震缝等多个方面，另外在当前的技术研发中，也已经能够在地基建设中设置隔震层，隔震层中主要发挥作用的隔震支座。当前的隔震支座已经有了多种形式，如图2所示为一种隔震支座的原理图。

图2 隔震支座原理图

在隔震支座的设置中，需要起到对整个建筑的有效支撑作用，所以在系统的应用中，需要按照建筑的中心进行隔震支座的合理配置，通常情况下在地基中要全面铺设，实现对建筑的有效支撑。

而对于建筑中的隔震缝，要按照地震强度进行隔震缝参数设计和计算，另外对于不规则建筑中需要进行连接的区域，隔震缝的尺寸要适当扩大，以乌鲁木齐机场为例，最终设计的隔震缝尺寸如图3所示。

图3 乌鲁木齐机场隔震缝分配图

在该图中，1200mm隔震缝为机场交通中心和航站楼连接处的隔震缝尺寸，其余区域为航站楼或交通中心按照地震强度设计的隔震缝尺寸。

4 结论

综上所述，高层建筑结构设计的不规则性会对整个系统的稳定性造成一定影响，并且相较于规则建筑，不规则建筑通常抗震性能较差，需要能够充分提升系统的抗震能力。在具体设计中，可采取降低相对偏心率和建筑震动周期达成目的，同时也需要应用相关辅助措施，全面提升高层建筑的抗震能力。