复杂不规则建筑结构设计研究

徐英雷

【摘 要】 本文概述了建筑结构不规则性设计的重要意义，分析了建筑不规则结构的基本类型。最后，根据工程实际，针对性的提出了不规则结构设计中应采取的设计措施，为结构设计提供参考。

【关键词】 建筑结构 不规则 概念设计 设计措施

【Abstract】 This paper summarizes the significance of irregularity design on building structure and analyses the basic type of irregular structure. Finally， according to the engineering practice， the proposed improvement measures for irregular structure are put forward. The results could provide a reference for structural design.

【Key words】 building structural irregularity conceptual design design measures

随着我国城市化进程的提高，越来越多的建筑物一改单调、规则、对称的建筑风格和建筑结构，追求着不断创新和独树一帜的建筑设计风格，如“大裤衩”、“小蛮腰”等。非对称性和不规则结构已经成为当前城市建筑物的主流和发展方向[1]。

绝对规则且对称的建筑物在实际中几乎不存在。随着结构体系复杂程度的增大，建筑结构的不规则性越来越大，这种不规则性对结构设计提出了严峻的挑战。结构不规则性的判断，在结构设计中占有非常重要的地位。它能直接影响结构的建模、结构布置、薄弱楼层判断、位移比控制，以及最后的施工图设计。对建筑结构规则性的判断在结构设计中属于概念设计的范畴[2-3]。近年来，结构设计中越来越重视概念设计。概念设计的合理，可以给以后施工图设计带来很大的方便。

不对称建筑如平面形状复杂的L型、T型、勺型等，楼梯间、电梯间偏于平面的一侧或一角的建筑等。但内含结构的基本对称仍是可能实现的。主要取决于结构师结合建筑平面的功能和需要进行合理的结构布置，如筒体、剪力墙的合理布置，可以设法调整结构刚心与质心尽量接近，实现结构的基本对称。结构的较大不对称、不规则，将引起结构在水平侧力（风荷载、地震荷载）作用下产生较大的扭转变形，不利于荷载结构抗侧力，不利于非结构构件如填充墙、幕墙的正常工作，同时可导致结构材料成本的较大增加[4]。

因此，结构设计必须尽最大可能将建筑结构设计为对称、规则的形状，提高整个建筑物的抗侧移能力，增加建筑结构的坚固度，提高建筑结构的性能，延长建筑物的安全性和使用寿命。

1 结构对称性、均匀性的表现

（1）建筑主体抗侧力结构沿两个主轴方向的刚度比较接近、变形特性比较相似。这是因为实际的建筑结构都是三维空间，实际的地震荷载、风荷载都具有任意的方向性；建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度比较均匀，就是具有比较良好的抗震抗风性能。

（2）建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀、不要突变。这里主要是指主体结构的剪切刚度不要突变。这种均匀的高层建筑可以避免因薄弱层的破坏而引起的结构整体破坏，尤以强震区的高层建筑结构特别注意。

（3）建筑主体抗侧力结构的平面布置，应注意同一主体方向各片抗侧力结构刚度尽量均匀，应避免在主体结构布置中某一、二片刚度特别大而延性较差的结构。如长窄的实体剪力墙。此时，即使结构仍满足对称性和刚度的要求，但这个刚度巨大的结构当发生地震时，将首先吸收极大的能量，应力特别集中，而容易首先招致破坏，从而引起整体结构的破坏。同一主轴方向的各片抗侧力结构刚度均匀，水平荷载作用下应力分布将比较均匀，有利于结构抗震延性的实现。

（4）建筑主体抗侧力结构的水平布置还应注意中央核心与周边结构的刚度协调均匀，保证主体结构具有较好的抗扭刚度，以避免建筑物在地震荷载或风荷载的扭矩作用下产生过大的扭转变形而结构或非结构构件的破坏。这是因为实际的建筑平面变化无穷，特别是相邻未来建筑的影响，即使自身对称的建筑，风荷载仍会产生较大的扭矩，有时将超出设计控制的范围。

2 结构不规则性类型

结构不规则类型可分为两类：1）平面不规则结构类型，包含扭转不规则、凸凹不规则、楼板局部不连续等；2）竖向不规则结构类型，包含侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变、楼层间质量突变等[5]。

2.1 平面不规则

1）扭转不规则：每一楼层自身最大的弹性水平位移大于该楼层两端的弹性水平位移平均值的1.2倍，或者是最大的层间位移大于该楼层两端层间位移平均值的1.2倍。

2）凹凸不规则：建筑结构平面凹进一侧的尺寸大于其投影方向上总尺寸的30%。

3）楼板局部的不连续：楼板的尺寸以及平面刚度发生急剧的变化。

2.2 竖向不规则的类型

1）侧向刚度不规则：该楼层的侧向刚度值小于与其相邻上一楼层的70%；或者小于该楼层以上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；排除顶层不算，楼层局部收进的水平向尺寸大于其相邻下一层的25%。

2）竖向抗侧力构件不连续：竖直方向上的抗侧力构件的内力通过水平转换构件而向下传递。

3）楼层承载力突变：层间的抗侧力结构的受剪程度小于其上一层的80%。

3 不规则设计的主要措施

震害调查和试验表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭转刚度太弱的建筑结构，受到严重的破坏。为避免破坏，可在整个结构设计阶段采取以下措施：

（1）在初步设计阶段，通过初步计算的结果找到建筑结构的质心、刚心，通过相关试验数据以及实践经验较准确的判断建筑结构的刚度分布，并再适当的增减距质心较远的抗侧力构件。endprint

（2）减少建筑体的偏心距。结构的扭转效应往往与其相对偏心距在某种程度上具有一定线性关系。将建筑物平面位置进行适当调整，使整个建筑结构的质心和刚心更接近。

（3）调整建筑结构抗侧刚度和抗扭刚度比。限制扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比。当两者接近时。由于振动耦连的影响，结构的扭转效应明显增大。结构扭转效应与结构周期比的平方的关系基本上是线性的关系，可考虑适当的减小建筑结构的周期。剪力墙结构需在合理范围内尽量加长或者增厚周边剪力墙，特别需重视距离刚心最远处的剪力墙。

（4）合理增强结构周边构件的抗剪能力。

仅靠调整结构布置来保证结构在强震动下的安全性是不够的。一旦出现较大额外力作用，其主体结构就会受到不可逆的破坏。如果建筑长期处于非弹性阶段，一开始有规则的建筑在受到多重地震作用影响下就会因变形而出现偏心的问题。这时应合理增强周边边缘构件的抗剪强度，这样整体结构即使受到较大的外力作用，仍能在自身弹性恢复力的影响下，回到正常状态。

（5）合理设置防震缝。对形状比较复杂的建筑结构，因条件限制导致不能把结构布置成规则的结构，可设置一定的防震缝将结构分成比较简单的结构单元。设计中应注意两点：一是如果防震缝两侧的结构并不相同或者对地震的抗力不同，应按照不利一侧结构进行设置；二是若出现临近建筑沉降超出限值的情况，应建立沉降的防震缝。

4 结语

建筑结构不规则性的判断直接影响建筑结构的建模、结构布置、薄弱楼层等，间接影响整体结构的布置是否经济、合理、安全。结构师设计不规则的建筑物时，需尽量减小或者避免建筑结构比较容易出现薄弱部位，同时强化那些薄弱部位。随着计算机的发展应用，会出现更多更好的方法来确定不规则计算结构模型，可以更加真实的模拟实际情况。

参考文献：

[1]马恺泽，刘伯权.高层建筑结构抗震性能评估方法的研究与改进[J].建筑科学与工程学报.2012，（4）：32-37.

[2]赵丽清.浅谈高层建筑结构分析与设计[J].山西建筑，2007，33（14）：68-70.

[3]夏孔瑜，张晓伟.不规则高层建筑结构设计中应采取的措施研究[J].建筑知识，2012，（l1）：52-53.

[4]安志宏.高层建筑结构设计不规则性的研究与应用[D].吉林大学，2004.

[5]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.endprint