不规则高层建筑结构设计要点分析

毛新征 王燕鹏

摘要：在现代城市发展中，高层建筑已经成为不可或缺的一部分，在提高土地利用率等方面发挥着重要作用。然而，由于建筑高度的增加、功能的复杂化，结构造型越来越新颖，各种不规则情况屡见不鲜。与规则建筑相比，不规则高层建筑在地震作用下极易发生严重的结构破坏，由此对结构设计提出了更高的要求。基于此，对不规则高层建筑结构设计要点进行研究，以供参考。

关键词：不规则结构;高层建筑;结构设计

引言

现代城市发展的过程中，涌现出了一系列造型别致的不规则性建筑结构，但是在建筑强调美观的同时更重要的还是其安全性以及实用性，这种不规则的建筑结构在发展的过程中也因此遇到了一些问题，需要相关设计人员细心的分析各种因素并且找出相关结构的薄弱点，对整体结构的刚度进行合理的布置，以满足建筑的实际需求。

1不规则结构的定义

不规则结构的出现源于人们对建筑外形、功能的追求，其在达到高层建筑各种功能要求的同时，也满足了视觉审美要求。然而，此种情况也给结构工程师带来了巨大挑战，不规则建筑结构的质心、刚心不重合，在地震作用下，极易发生较大的扭转变形。目前，根据JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）、GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版，以下简称《抗规》）对不规则结构进行了如下划分：1）平面不规则：包括扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续等情况。其中，扭转不规则结构是指在规定水平力作用下，楼层最大弹性水平位移（或层间位移）超过该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）均值的1.2倍;凹凸不规则结构是指平面凹进尺寸超过相应投影方向总尺寸的30%;楼板局部不连续则为楼板尺寸、平面刚度出现急剧变化。2）竖向不规则：包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变等情况。其中，侧向刚度不规则是指该层侧向刚度未达相邻上一层的70%，或是未达其上相邻3个楼层侧向刚度平均值的80%，除了顶层、出屋面小建筑以外，局部收进水平向尺寸超过相邻下一层的25%;竖向抗侧力构件不連续主要是指竖向抗侧力构件的内力通过水平转换构件朝下传递的结构;楼层承载力突变是指抗侧力构件层间受剪承载力达不到相邻上一楼层的80%。

2不规则高层建筑结构设计要点

2.1对不规则部件进行合理布局

为了尽量减少施工过程中意外事故发生的可能性，在建筑设计这一环节需要对不规则部件进行合理的安排布置，从而避免由于不规则部件散乱排布而出现的较大幅度的扭转效应。除此之外，为了尽量保证建筑结构之间的稳定性，需要适时地对偏心距做出合理的调整，进而改变平面的整体分布情况以及机构的空间分布情况。相关设计人员还应该加强建筑边缘的相关结构的抗剪强度，从而最大程度上降低外力因素对建筑结构的破坏。当高层建筑在受到双向水平的地震作用后，在后续的弹性期间会导致建筑结构相应的形态因为回弹而不发生变化，但是在非弹性期间会发生形态变化而造成偏心的现象出现，使整个结构处于受力不均匀的状态下，为了实现更好的结构分布效果，应该适当的加强建筑边缘的结构强度，减少外力对其的不利影响。

2.2框架梁的抗震加固

在框架梁的抗震加固过程中，需重点落实的工作要点如下。（1）将梁的截面宽度稳定在200mm及以下，将梁的截面高度与宽度之比稳定在4及以下，将梁的净跨与截面高度之比稳定在4及以上;（2）将梁端纵向受拉钢筋的配筋率控制在2.5%及以下水平，且计入受压钢筋的梁端混凝土受压区高度和有效高度之比不得高于0.35;（3）梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比，除按计算确定外，不得低于0.3;（4）加密区的长度、箍筋最大间距及最小直径按规范完成确定，且当梁端纵向受拉钢筋配筋率高于2%时，要促使箍筋最小直径应增加2mm;（5）沿梁全长顶面和底面的配筋，保证不低于214且分别不小于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4，框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，不高于柱在该方向截面尺寸的1/20;控制梁端加密区的箍筋肢距始终稳定在不高于250mm和20倍箍筋直径较大值的水平下。

2.3加强抗震性能

为了确保超高层建筑的安全性和稳定性，建筑设计单位在建筑结构设计时付出了巨大的努力，并取得了重大的突破。根据我国2016年最新修订的《建筑抗震设计规范》中提到，建筑结构可采用振型分解反应谱方法，针对不规则建筑物、甲级建筑物和高度范围超限的高层建筑，可采用时程分析法补充多遇地震的计算。可以取多条时程曲线计算结果的平均值和多遇反应谱法计算结果的较大值。目前，“延性结构体系”是被建筑业采用最多的传统抗震结构体系，即控制好建筑结构的刚度，但在进入地震时结构构件进入非弹性状态，延性较大，以消耗地震能量，降低建筑对地震的反应，使建筑物能达到“裂而不倒”的形态。采取摆动、滑移、悬挂隔震等措施，改变建筑结构的动力特性，降低结构的地震反应，减少地震能量的影响，是一种极具发展前景的防震措施。超高层建筑结构设计所选结构应满足建筑物的功能要求，经济合理，施工方便。除满足使用要求外，还应尽量减少建筑的平面关系和形状，如开间、深度、层高、层数等，柱网的布局和层高应尽量统一，标准层应重复使用。高层建筑的位移控制是首要因素，除考虑平面形状和标高的变化外，还应提高结构的整体刚度，以减小结构的位移。在结构布置上加强结构的刚度，加强构件之间的连接，使结构各部分以最有效的方式协同工作;应加强基础的整体性，以减少由于基础的平移或扭转引起的结构侧向位移的影响。同时，对结构薄弱部位和受力复杂部位应加强强度。

2.4合理选择假定计算条件及方法

在工程设计阶段，设计师往往选择将楼板在平面内刚度无限大与不变形作为假定条件。这一假定条件仅适用于多数高层建筑，而在部分高层建筑工程中，若楼板部位存在开洞或是出现楼板变形现象，则上述刚性楼板假定条件不具备适用性，如果仍采取原有计算条件与方法，将出现参数计算错误问题，并降低建筑结构设计方案的可行性。因此，设计人员应结合工程情况，合理选择假定计算条件与计算方法。例如，当存在楼板变形现象时，要着重考虑楼板变形问题所造成的具体影响，采取楼板等效受弯水平梁简化计算方法，或对楼板划分单元进行处理，运用有限元法加以计算。

结束语

综上所述，在设计工作中，应选择合理的处理方法，建立符合实际受力情况的模型，达到设计成果的经济性、安全性。为了提升建筑的安全性，须注重对各类结构参数进行选择，选取适用性较强的计算机软件，做好结构分析，设计满足安全系数的建筑，提升设计效率。

参考文献：

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