高层建筑不规则结构设计研究

李非非 王超级 周兴卫

【摘要】在现代建筑发展体系中，高层建筑的发展比较迅速和重要，其稳固性更加得到设计人员的重视。因而在对其进行设计时，设计人员应从提高结构稳固度这一角度出发改善设计方案。基于存在的大量多头形凹凸不规则平面、A级高度住宅剪力墙结构的研究，从复杂体型超限高层建筑结构的界定出发，探讨扭转效应与平动周期、扭转周期比、位移比等参数的控制问题。本文就主要对建筑工程不规则结构设计的相关问题进行了简要分析。

【关键词】高层建筑;不规则;结构;设计

1、导言

近20年来，我国高层建筑工程的建设数量大幅增加，尤其是A级高度的高层居住建筑的数量剧增，居世界前列。由于建筑使用功能、土地利用率、美观等要求导致建筑平面不规则、使得建筑结构更加复杂化。从构建科学合理的不规则建筑信息模型入手，设计出不规则建筑平面各设备的数据模型，优化建筑数字化平面设计的数据结构，对线路进行设计，深入研究不规则建筑平面设计中各种关联设计方法，提高不规则建筑专业的设计效率、质量、水平。

2、不规则建筑造型数字化平面设计

设计的不规则建筑造型数字化平面主要功能包括不规则建筑设计相关信息的收集、分类、加工以及输出，四位一体的数字化平面设计需要科学合理的不规则建筑信息模型。以此为基础，能够保证不规则建筑专业数据库的建立，进一步实现不规则建筑的平面关联约束设计。

3、高层建筑不规则结构的具体形式

3.1竖向不规则结构

竖向不规则在高层建筑不规则结构中较为常见，具体包括侧向刚度不规则结构、层间质量剧变结构和楼层承载力突变结构三种。侧向刚度不规则结构又可细分为两种情况，第一是结构楼层侧向刚度小于相邻上一层的侧向刚度，且减少的范围约为70%。第二种情况为除顶层之外的其他楼层的局部收进水平与相邻下一层之间存在差值，且一般上一层超出相邻下一层25%;层间质量剧变结构是指高层建筑的某个建筑构造中的相邻楼层之间的质量差值，一般下一层楼比相邻楼层质量小1.5倍左右;楼层承载力突变结构则强调的是不同楼层之间的承载力差值，且楼层承载力从上至下依次递减。

3.2平面不规则结构

平面不规则结构主要包括楼板不连续、凹凸不规则和扭转不规则三类。楼板不连续主要体现在开洞后每一边的净宽长度的变化值，一般以2m为界，且小于临界值;而凹凸不规则具体指的是楼层平面结构形状的不规则;最后是扭转不规则，该类不规则形式也较为常见，且与层间位移密切相关，因而也会直接影响建筑的稳固程度。

4、高层建筑不规则结构设计

4.1错层设计

由于错层结构楼板不连续，应对错层结构两侧各按一个标准层输入进行结构的整体计算和配筋计算。需要特别指出的是现有的结构计算软件，可将错层的楼层按一个楼层输入，通过调整节点高度或构件的高度来达到错层的布置，软件处理时并不能发现问题，但是计算结果却很不合理，对采用如此方法建模的错层结构，应注意核查其合理性。另外，计算软件不能区分真实楼层和计算楼层，所以软件输出的计算位移比不能直接采用，应根据软件输出的位移，手工计算复核位移比。

（1）错层处的框架柱截面高度不应小于600mm，混凝土强度等级不应低于C30，箍筋应全长加密，且应该满足短柱的体积配箍率。抗震等级应提高一级。（2）错层处的剪力墙厚度抗震时不应小于250mm，并应设置与其垂直的墙肢或扶壁柱，抗震等级应提高一级。混凝土强度等级不应低于C30，应加大水平和竖向分布钢筋的配筋率。（3）若错层处的框架柱和剪力墙不能满足设计要求时，可在框架柱和剪力墙内设置型钢，增强框架柱和剪力墙的延性。

4.2防震缝的合理设置

在进行具体设计时，设计人员应合理的设置抗震缝。高层建筑的实际平面结构一般较为复杂，在进行设计时，要针对不规则结构进行处理，并设置恰当的抗震结构，留置合理的抗震缝。在具体设置时，设计人员可以对平面结构进行分区，使其形成较为简单的结构单元。而在具体设置抗震缝的过程中，工程人员也需要关注抗震缝两侧的结构体系，若结构体系不一致，则要以较为不利的抗震场景为基准进行抗震缝的优化设计，可以对宽度进行收窄或扩宽，同时还可以结合相邻建筑结构的基础沉降情况合理的设置沉降缝。

4.3竖向体型收进的具体处理

某建筑工程由于有商业建筑和住宅区的区分，因而在4层商业建筑以上，结构平面就出现了收进现象，具体的体型收进高度和收进后的平面宽度分别为11.1m和12.7m，基本达到建筑总高度的17%与下部楼层对应宽度的49%。而上述比值已经接近于高规第3.5.5条对应的20%和75%的限值，因而可以将该结构判定为竖向不规则结构。针对竖向不规则结构，设计人员在进行处理时，应关注抗震增强设计。基于此，应针对结构薄弱层，以多遇地震作用标准值为基准，以该值的剪力乘以1.25的增大系数。而在进行具体的结构设计时，设计人员则要保持上部收进楼层和相邻下部楼层对应的剪力墙和框架柱的截面尺寸不出现变化，并且要使混凝土等级达到强度要求，由此可以保证使两个楼层间的抗侧移刚度和承载力处于较小的差值范围内。在具体的抗震不屈服设计活动中，设计人员应从提高建筑结构塑性角度出发进行设计，并对地震影响系数进行预估，在弹性时程分析法下进行补充计算，提高抗震设计精准度。

4.4提升周边抗扭构件的抗剪力

高层建筑的设计人员在优化不规则结构的设计体系时，应做好对周边抗扭构件抗剪力的提升设计。设计人员要结合前沿的结构理论，即建筑结构一旦处于非弹性状态，当出现地震时，结构会受到双向的水平地震作用力的冲击，由此会出现重心的变化，进而导致结构失稳。基于此，设计人员需要注重抗扭构件这一细节，要能够结合抗震性能的具体要求，采取恰当的措施增加抗扭构件的抗剪力，从而提升建筑结构的整体抗震弹性值。

结语：

综上所述，建筑结构的错层变化丰富，层次感非常强，错层结构是运用广泛的一种结构。在具体设计时，应针对实际的工程案例进行不规则结构的分析，找出需要进行不规则设计的部位，有针对性的开展设计工作，确保高层建筑不规则结构的竖向、横向结构稳固，同时也要彰显出良好的抗震性能，不断提升高层建筑整体效益。

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