高層建筑結構設計中的不規則問題與抗震方法

葉博文

中國聯合工程有限公司 浙江 杭州 310051

高層建筑因其空間利用率高、視野好等優點，被廣泛應用于建筑行業中。然而，隨著建筑高度的增加和結構形狀的復雜化，高層建筑的結構設計面臨著許多挑戰。其中，不規則結構設計是主要問題之一。不規則結構可能會引起扭轉力較大、設計不合理以及結構高度引起的問題；因此，如何有效地解決不規則結構和抗震設計問題，以提高建筑的穩定性和安全性，是當前建筑工程領域的一個重要研究方向。

1 高層建筑結構設計的特征

1.1 水平方向不規則性

高層建筑水平方向不規則設計是因為更注重功能與美感導致的，在平面布局、體量分布與外墻形式上呈現出顯著的非均勻化特征[1]。有數據顯示，近幾年，該設計方法在世界上所占的比重已超過了35%。按照《建筑抗震設計規范》（2016版）（以下簡述《抗規》）如表1，平面不規則結構類型主要有：扭轉不規則結構、凹凸不規則結構和樓板部分不連續結構等。

表1 平面不規則結構的分類

1.1.1 不規則結構尺寸的設計

在水平方向不規則結構設計中，建筑物的橫向尺度有很大的差異。比如，一些建筑物隨著層數的增多，其每層的面積都會逐步減少，從而形成了特殊的塔狀結構。一些高層建筑在不同樓層之間存在著顯著的樓層差異，從而使空間呈現出不同的層次感；這些都要按照特定的用途和要求來進行[2]。

1.1.2 不規則結構規范的考慮

在水平方向不規則結構設計時，結構的穩定性、功能以及建筑的美感是建筑師與結構工程人員進行設計時所要考慮的主要因素。為了確保建筑物的安全性，結構的穩定是第一要點。為此，設計人員需對不規則結構的受力特性進行分析，以保證不規則結構符合有關安全規范。此外，還應考慮到建筑的功能性與審美觀。比如，建筑物的平面布置要滿足功能性，建筑物的外觀造型要符合美學。

1.1.3 不規則結構的實施情況

在水平方向不規則結構設計時，還必須符合某些技術條件。為了使結構整體計算結果滿足規范要求，采用使用高強建材和精密施工工藝，從而確保建筑物的結構穩定。有資料表明，在此類房屋中，其結構設計與建造的難度通常要比常規房屋高20%-30%。

1.2 豎向不規則性

在高層建筑結構設計中，對不規則結構的應用越來越廣泛，尤其是豎向方向不規則結構的應用。為了符合使用功能、環境條件、視覺效果等多方面的要求，一些建筑體型在高度分布、空間布局和形態等方面都有不同程度的變化。近年來，在我國新建的高層住宅中，垂直非規則的建筑物所占比重已超過30%[3]。按《抗規》表2將豎向不規則結構類型劃分為：側向剛度不規則結構、豎向抗側構件不連續結構和樓層承載力突變結構等。

表2 不規則結構的分類

圖1 豎向不規則結構

2 高層建筑不規則結構設計存在的問題

國內外歷次大地震的震害研究表明，在高層建筑不規則結構設計中，平面形狀不規則、剛度與質量偏斜以及扭轉剛度過低等都會造成較大的震害。

2.1 扭轉較大

在高層建筑不規則結構設計中，扭轉過大是一個突出的問題。首先，過大的扭矩會使得結構的承載能力超出設計極限，進而引起結構的變形，嚴重時甚至出現失效。其次，扭振也會對結構產生動力反應。例如，扭轉會誘發或加劇建筑中的“諧振”，使其產生強烈的振動，從而嚴重影響建筑的安全與服役壽命[4]。然后，扭力也會對結構的穩定產生影響，又如，當受到一定的荷載組合作用時，結構會產生變形或不穩定。

2.2 建筑結構高度的問題

隨著建筑高度的增大，對結構的強度及穩定性能的要求也隨之增大。由于高層建筑的高度越來越高，在風、地震等動力載荷的影響下，其自身重量、內力、位移都將越來越大，若不能對其進行合理的設計，將會引起結構的過度變形；因此，需要對建筑結構高度問題加以重視。

隨著建筑高度的不斷增大，建筑的風荷載也隨之增大。在高層建筑中，由于其承受較強的風壓力，會引起較大的側向位移、振動等，從而對結構的服役性能及安全產生不利影響。另外，由于風荷載的存在，高層建筑在風荷載作用下會產生復雜的動力反應，如旋渦振動、顫振等，若不進行合理的設計，將會導致結構失效[5]。

3 高層建筑不規則結構設計思路

3.1 控制高層建筑結構偏心距比例

根據工程實際情況分析，偏心率與扭轉應力呈線性關系，需進行調節，逐漸減小非規則結構的聯系，調節扭轉效應；盡量減小間距[6]。根據各層的變形比的減小，對建筑物的平面結構進行了調整，達到了對框架的合理操縱。根據不同的建筑物的剛度等級來比較分析，并與建筑物的構造相結合，精確判定，逐步提高建筑物的穩定性；力求改善建筑物的抗側性能。

3.2 合理調整抗側強度及扭曲剛度

經大量研究與調查可知，隨著振動周期的改變，會對扭轉效應帶來明顯的影響。以上述理論為基礎，出于優化高層建筑扭轉效應的目的，可將振動周期作為切入點進行分析，采用改變振動周期的方式來緩解扭轉效應。通過對建筑物偏心率進行合理的線性關系測量，調節在扭轉應變作用下的變化關系。運用一系列的設計運算，對非規則建筑物的結構周期進行調節。依據抗震規范，突出關鍵改善點，強化結構設計的合理性，強化結構抗扭剛度分配[7]。

比如在對剪力墻進行設計時，應選擇合適的墻體厚度與長度，這對中心間距較大的墻體而言顯得更為重要。常見的方式有：在結構邊緣增設梁、柱等結構，以改善結構抗扭強度，縮減振動周期。此外，還可對邊緣連續梁的剛度進行調整，優化扭曲剛度。就理論層面而言，基于提升連續梁抗剪能力的方式可有效增強結構的性能；從實際操作層面考慮，則需合理加大剪力墻連梁的截面寬度[8]?；谝陨戏椒?，對于剪力墻連梁結構的整體剛度也可發揮出積極效果，能夠確保建筑結構的穩定性。

4 建筑工程結構的抗震設計措施

4.1 平面樓板不規則結構設計的抗震措施

在平面樓板布局上，應盡量做到簡潔、規整，避免剛度、質量、承載力等方面的無序分布，避免使用無序布局。高層建筑豎向體型宜整體均勻，避免過度外挑與內凹，抗側剛度宜下部增大，上部減小，并逐步均勻化;上述內容為建筑結構抗震概念設計中應注意的問題。

在高層建筑工程中，對不規則結構的設計應給予足夠的重視。由于平面樓板的不規則性，使得建筑在地震作用下會發生較為復雜的動力反應，從而加大了結構失效的風險。因此，如何設計合理的抗震措施，是一項非常重要的研究課題。

(1)結構的重心及剛度重心的確定。由于質心與剛性心的偏心率對結構抗扭反應有較大的影響。例如，對于L型的平板，其質心與剛性心都會發生偏移，從而使其產生較大的扭轉反應；為了減小偏心率，應采取調整結構布局、增大剛度等措施[9]。

(2)地震作用下，地震作用路徑的設計應考慮到結構的動力性能。在通過有限元分析等方法，確定結構的自振頻率和振型，從而確定主要的抗震路徑[10]。例如，對復雜的、不規則的結構來說，可以通過改變結構的布局，或者增加剛度，使其具有更加有利于地震的自振頻率和振型。

(3)結構的耗能性能必須得到充分的考慮。在強震下，建筑結構必須具有較強的消能性能，以降低強震對結構的損傷。提高結構的延性，可以采用高延性鋼材和增加桿件的塑性鉸。

(4)結構的連貫性與整體性是必須要考慮的。一個完整、連續的框架結構，能夠為其提供多種地震反應途徑，從而增強其抗震性能。在此基礎上，可以通過設計連續的梁柱系統、增強結構節點的剛度和強度等方法來實現。

(5)對結構的動力響應進行了詳盡的分析，并對其進行了抗震性能評價。這可以通過時間歷程或響應譜分析，來確定結構在地震作用下的位移、速度、加速度等響應。例如，一些比較復雜的、不規則的結構，那么就必須要借助一些比較先進的有限元軟件，對其進行三維動力反應分析。

4.2 綜合選擇相對適合的建筑場地

在選擇建設地點時，應充分考慮地形特征。按照《抗規》3.3.1條的規定，對抗震有利區、一般區、不利區和危險區按照工程需求、地震活動規律、工程地質、地震地質等方面的相關數據分析，進行綜合評定[11]。對于不利于施工的地區，應當作出避讓的規定。在不能避免的情況下，必須采取相應的解決措施。在危險區域內，禁止建設甲級和乙級建筑物，丙級建筑物也不允許。

4.3 建筑不規則結構關鍵點建立隔震裝置

(1)關鍵節點的定位。關鍵點應選取在結構剛性大或應力大的部位。減震措施可設置在梁柱節點、地下室頂板等部位。另外，要考慮建筑物的不規則形狀，如 L型、 T型等；為了對結構的扭力反應進行有效的控制，可以在結構的拐角上布置一些關鍵節點。

(2)隔振器的剛度、阻尼和沖程等參數的設計。要根據結構的動態特性，如自振頻率、阻尼比、振型等，以及地震的輸入特性，如地震強度、頻率內容等，來進行設計。為了減少結構在地震作用下的反應，隔震裝置應具有小的剛性。隔震設備應具有更大的減震效果，以減少地震的能量。隔震設備的移動距離應足以承受地震產生的位移量。

(3)對其結構進行分析與驗證。其主要內容有靜態分析、動態分析、穩定分析等。通過靜力分析，可以對其受風、自重等靜載荷作用下的工作特性進行檢驗。對該結構進行動態分析，能夠對其在地震作用下的表現進行檢驗。

通過穩定分析，可以對不同工作狀態下的結構穩定性進行驗證。所以，設計人員需要使用有限元分析或其他的結構分析方法，來獲得諸如位移、應力、穩定系數等特定的數據，之后再對這些數據進行評價與對比，來驗證該隔震裝置的設計是否合理。

4.4 優化建筑抗震設計思路

建筑結構設計中，要對建筑物的密度和穩定性進行優化。在建筑抗震設計中，注重建筑物的高度和面積的標準配置。在此基礎上，對結構的自重模型進行修正，并做了相應的基礎設計，使其盡量避免在軟弱土層和地下水區。改善建筑物的受力平衡，增強主體結構的穩定性。在地震作用下，對地震作用下的建筑結構進行合理分析；根據工程實際情況，對工程周圍環境、地質變化、條件模式等展開詳細周密的勘探分析，并綜合考慮有效的設計調控措施和標準。

5 總結

綜上所述，進行建筑工程不規則結構設計時，必須按照地震作用下的概念設計，確定建筑物外形的規律性。對不規則的建筑物，按照規范進行加固處理。對于特殊形狀的建筑物，需要進行專項調查、論證，并采取適當的加固措施，嚴重不規則的建筑不應采用。期望藉由以上之探討，能對高層建筑工程結構設計有一定之借鑒與啟迪，并有助于設計人員對不規則結構認識與處理。