高层建筑结构设计不规则性的研究与应用

刘绍鹏

（沈阳新大陆建筑设计有限公司，辽宁 沈阳 110000）

在现代建筑设计中，已经突破了传统建筑中所要求的规则性与对称性，更多新颖的建筑形式得到了应用，不规则性建筑便是其中的一种。

一、高层建筑不规则结构的类型

立足于结构类型而言，建筑结构设计不规则种类主要分为两种类型，即平面不规则类型和竖向不规则类型。其中平面不规则类型主要包括：建筑结构的楼板连续性的缺乏、凹凸不规则、建筑平面结构的不规则扭转等结构种类；而竖向不规则种类则包含：楼层承载力突变、竖向抗侧力构件不规则、侧向刚度不规则等结构类型。

（一）平面不规则的类型

高层建筑平面结构的不规则行主要体现在楼板局部不连续、凹凸不规则、扭转不规则等方面。首先，楼板结构连续性的缺乏主要原因是因为建筑结构的平面和楼板面积出现的剧烈变化导致的。其次，不规则的凹凸在借助建筑结构的投影尺寸上得以体现，同时其平面结构凹进的面积在30%以上。最后平面不规则扭转主要是立足于每层楼房结构的两端存在的弹性水平位移量展开判断，若是楼层结构的水平位移量在平均值的1.2 倍以上，那么建筑楼层结构就会发生不规则扭转。

（二）竖向不规则的类型

第一，侧向刚度的不规则，衡量措施是该流程的侧向刚度值在挨着上层楼层的70%以内；其次，竖直方向结构抗侧列位置没有连贯性，衡量措施是结构受力是通过水平设施展开输送的；再者，楼层的承载力有明显的改变，它的衡量措施是层间抗侧力结构的受剪程度在一层中；最后，楼层间的重力改变特别明显，它的衡量措施是楼层重量超过下层1.5 倍。

高层建筑结构设计不规则的使用依靠研究人员的研究得出，在出现地震的情况时，平面分布不均匀是建筑结构破坏得最厉害的区域，在全部结构的重点和刚度作用偏差很大或者扭转刚度太小的结构也有十分强烈的损毁。通过研究分析可知，扭转作用和地震造成的水平晃动竖直作用相比，其对建筑有着更严重的损毁作用，这就需要有关的设计人员在对高层建筑结构展开设计时，要大力控制主体结构的扭转效应，能够挑选以下方式控制扭转效应：第一点，最大化保持平面和空间上的对称性，确保其的分布规章性，避免较大偏心作用的出现，从而将主体结构的扭转效应科学减少。其次，在建筑结构有效的范围内，把建筑扭转刚度值大小的最大化提升，提升扭转作用下的抵抗能力。

二、平面不规则高层建筑结构设计要点

（一）平面不规则性的定义

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）规定的建筑平面不规则类型主要分为3 种：1.规定水平力作用下，楼层最大弹性水平位移（或层间位移），超过1.2 倍楼层两端弹性水平位移（或层间位移）均值；2.建筑平面凹进尺寸超过0.3 倍相应投影方向总尺寸；3）主要表现为楼板尺寸、刚度出现急剧变化。

（二）平面不规则高层建筑结构设计要点

1.全面分析建筑项目概况、场地条件、设防标准以及规则性，根据规范对其不规则程度进行超限判别；2.根据项目综合分析结果进行结构方案选型、平面布置；3.借助各种计算软件开展结构整体计算分析，包括：用振型分解反应谱法分析多遇地震工况下的性能、开展罕遇地震下的弹塑性分析、进行楼板的应力分析工作，由此充分了解建筑抗震性能，找出薄弱环节，落实加强措施，实现建筑结构抗震目标。

三、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。

（一）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。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

四、结束语

在目前的很多大中城市中，我们可以看到越来越多的高层和超高层建筑体，不仅如此，这些建筑体在结构和构造上也在逐渐趋于不规则形态，这类高层不规则建筑已经越来越普遍。这样的建筑体在满足人们视觉需求及对于个性化的追求的同时，在结构设计和实施上也提出了更高要求。结构设计师要从项目的实际情况出发，结合一些关键问题利用技术手段寻求突破，让高层不规则建筑的性能得到发挥，同时，让其稳定性和抗震性也得到有效保障。