高层建筑不规则结构设计研究

毛维帅

1 引言

近年来，城市中的高层建筑数量及规模正在与日俱增，而随着一栋栋“摩天大楼”的拔地而起，对它们的结构设计也提出了更高的要求。就现实情况来看，我国正有越来越多的高层建筑采用不规则结构设计，这昭示着建筑结构设计水平的进一步提升。不规则结构的高层建筑优势有二：一是提高建筑外形的美观性与个性化，二是解决自然条件、建筑空间、工程造价等相关因素的矛盾。不过，高层建筑不规则结构设计比普通结构设计的难度要大很多，以下就详细谈谈高层建筑不规则结构设计的相关问题。

2 高层建筑不规则结构的主要类型

高层建筑不规则结构主要包括两种类型，第一种类型是竖向不规则结构，第二种类型是平面不规则结构：

2.1 竖向不规则结构

竖向不规则结构可以分为三种类型，分别是：侧向刚度不规则结构、抗侧力构件不规则结构以及楼层承载力突变的结构。首先来说侧向刚度不规则结构：侧向刚度不规则结构是指某一楼层的侧向刚度值为其上层楼层70%的范围之内，这一楼层便是不规则性楼层。其次来说抗侧力构件不规则结构：抗侧力构件不规则结构是指竖直方向结构抗侧列位置缺乏连贯性，即结构受力主要通过设置水平设施进行输送。最后来说楼层承载力突变的结构：楼层承载力突变的结构是指楼层间出现明显的重力改变，即某一楼层的重量超过其下一楼层的1.5倍。通过对高层建筑不规则结构进行分析可以发现，当发生地震之时，建筑结构破坏最为严重的区域一般是平面分布不均的区域，同时，扭转刚度较大、刚度作用偏差较大的结构也会出现较大的损坏。由此可见，相较于地震带来的水平晃动竖直作用而言，扭转作用对建筑所造成的损坏更大。基于此，在高层建筑不规则结构设计过程中，必须要严格控制建筑主体结构的扭转效应，通常可以采取以下几种方法：第一，在建筑结构有效范围之内，尽可能地提升扭转刚度值，以强化扭转下的抵抗性能；第二，通过实现空间、平面上的对称性，以保障空间、平面的分布规律性，避免出现较大的偏心作用，进而减小主体结构的扭转效应。

2.2 平面不规则结构

平面不规则结构可以分为三种类型，分别是：平面不规则扭转结构、楼板缺乏连续性的结构以及楼板凹凸不规则结构。首先来说平面不规则扭转结构：平面不规则扭转结构是指立足于每层楼房结构的两端存在的弹性水平位移量进行判断，如果楼层水平位移量为平均值的1.2倍或者是以上，则楼层结构便会出现不规则扭转的情况。其次来说楼板缺乏连续性的结构：楼板缺乏连续性的结构是指楼板结构缺乏连续性，其主要原因在于楼板面积、建筑结构平面发生剧烈变化。最后来说楼板凹凸不规则结构：楼板凹凸不规则结构是指在结构投影尺寸上，若平面凹进面积超过30%，则为凹凸不规则。

3 高层建筑不规则结构设计的意义

当今时代，在城市化建设进程不断加快、建筑行业迅速发展的同时，人们的生活水平、生活质量得到了显著提高，在此背景下，也对建筑设计表现出了多样化、个性化的需求，这无疑给建筑设计工作带来了更大的难度。现代建筑设计不仅要确保建筑的安全性，还要提高建筑的美观度及注重建筑的节能性。基于这样的原因，在高层建筑结构设计过程中，应当要先对建筑本身的结构、用料、框架等问题进行全面了解和深入分析，同时还要充分考虑到当地的地理条件、周围环境等因素，这样才能够设计出兼具舒适性、安全性、实用性以及美观性的高层建筑。现代社会是一个个性张扬的社会，人们更加希望能够生活和工作在一个特色化的、个性化的建筑物之中，因此，在高层建筑结构设计中越来越多的采用了不规则结构设计。不规则结构设计既可以提高高层建筑外形的美观性与个性化，又能够解决自然条件、建筑空间、工程造价等相关因素的矛盾。但与此同时，其这也给建筑设计、施工等工作提出了更高的要求、带来了更大的难度。面对这样的情况，有必要进一步加强对高层建筑不规则结构设计的研究，尽快找到更加有效的设计方法和技巧来提高高层建筑不规则结构设计水平；同时还要加强对各种新技术、新理念的应用，最大限度地减少不规则结构给高层建筑造成的负面影响，以为建筑施工工作提供科学的指导，切实保证高层建筑的美观性与建设质量。

4 高层建筑不规则结构设计的策略

当前，随着高层建筑的迅速发展，国内外诸多业内学者纷纷开展了对高层建筑的深层次研究，其中也包括对高层建筑不规则结构设计的研究。经分析发现，当地震发生之后，高层建筑初选结构破坏的问题，很多时候都是由于建筑结构本身的不规则性所造成的。进一步研究还发现，扭转效应是导致建筑结构遭受损坏的最主要因素。由此可见，在高层建筑不规则结构设计过程中，必须要重点控制好不规则结构的扭转效应。以下就介绍几种控制不规则结构的扭转效应的策略。

4.1 提高抗扭刚度与抗侧刚度

为了有效控制好不规则结构的扭转效应，在设计过程中可以根据实际情况提高建筑结构的抗扭刚度与抗侧刚度。通过对高层建筑不规则结构进行深入分析不难发现，高层建筑主体结构出现自我振动周期的扭转情况与平方值应当要具备线性函数关系。因此，在高层建筑不规则结构设计中，应当要尽可能地减少建筑自我振动时间，从而降低高层建筑主体结构的扭转效应。在分析高层建筑的剪刀墙结构之时，可以通过改变墙体大小以及在实际操作过程中根据主体结构边缘处柱梁的实际情况进行适当调整，从而减少高层建筑主体结构的自我振动周期、控制其扭转效应。另外，通过适当提高边缘梁值，也可以起到调整抗扭刚度与抗侧刚度的作用。

4.2 降低相对偏心距

通过降低相对偏心距，可以比较有效地控制不规则结构的扭转效应，其主要原理在于高层建筑结构的相对偏心距及其扭转效应可呈线性函数关系。也就是说，通过减小楼体间的位移，便可以降低由主体结构扭转效应所造成的不良影响。基于此，应当要在高层建筑不规则结构设计中适当减小结构的相对偏心距，从而改善高层建筑结构的平面、空间整体分布情况及提高结构间的稳定性与安全性。与此同时，在实际建筑施工过程中，也可以采取一些有效的措施来减小高层建筑结构的相对偏心距。为此，应当要对高层建筑的相关数据进行准确测量，然后以此为根据来制定出一套科学的相对偏心距调整方案，并在设计图纸上明确标记相对偏心距的位置，对相关数据信息进行准确分析，这样才能够切实保障高层建筑不规则结构设计的科学性与合理性。

4.3 增强抗剪强度

增强抗剪强度是控制不规则结构的扭转效应的常用方法。光是通过协调主体结构分布，并不能真正有效控制不规则结构的扭转效应，一旦受到较大的外力作用，则主体结构很容易会遭到破坏。据相关研究发现，如果高层建筑长期处于非弹性阶段的话，即使其结构最初是规则性的，但一旦遭受地震作用的影响，其结构也会产生偏心缺陷而转变为不规则。因此，为了确保高层建筑主体结构的抗震性能，必须要提高主体结构边缘构件的抗剪强度，这样即使高层建筑整体结构遭受了巨大外力作用，也可以受到自身弹性作用而回到正常状态。

4.4 设置防震缝

在高层建筑不规则结构设计中，通过设置防震缝，可以发挥出良好的控制扭转效应的作用。一般来说，高层建筑不规则结构设计中常会应用到一些结构比较复杂的平面形状，而由于受到现实因素限制，往往无法合理设置规则的平面结构，对此，只有采取设置防震缝的方法，才能够有效将建筑结构转变为简单结构单元。需注意，对于不同体系结构的两侧、不同作用的地震效应，应当要根据实际情况来合理确定防震缝的宽度。另外，若相邻结构的沉降较大的话，也可以利用防震缝来发挥沉降缝的作用。

5 结语

综上所述，高层建筑是现代建筑的主要趋势，而在高层建筑设计中，不可避免地会应用到许多不规则结构，这也是其设计中的一大难点。不规则结构设计既可以提高高层建筑外形的美观性与个性化，又能够解决自然条件、建筑空间、工程造价等相关因素的矛盾。而无论是竖向不规则结构还是平面不规则结构，其在实际设计中都需要采取科学合理的设计方法与技巧，特别是要控制好不规则结构的扭转效应，对此，可以采取提高抗扭刚度与抗侧刚度、降低相对偏心距、增强抗剪强度、设置防震缝等策略来满足设计要求。