高层建筑结构设计不规则性的研究和应用

李祖维

（广州市番禺城市建筑设计院有限公司 广东省广州 511400）

1 现代化建筑中不规则建筑结构的特点和现状

1.1 不规则建筑结构的特点

随着国民对建筑物个性化要求不断提高，现代建筑结构中不规则建筑逐渐增加。其中最为常见的有平面不规则和竖向不规则，两种不规则形式的特点各不相同。

1.1.1 平面不规则性

平面不规则可分为扭转不规则、凹凸不规则以及楼板局部不连续三种形式。由于建筑平面要求，凹凸不规则和楼板局部不连续往往是固有特性，以凹凸度和楼板尺寸作为不规则的判定标准[1]。近年来扭转不规则的建筑数量较多，即楼层最大弹性水平位移大于该层平均水平位移的1.2倍，结构师需尽量通过计算调整避免扭转不规则。

1.1.2 竖向不规则性

竖向不规则类型的可以分为四种：侧向刚度不规则、竖向抗侧力不规则、质量突变、承载力突变。四种竖向不规则类型分别对建筑刚度、抗侧力、楼层质量和楼层承载力进行判断。由于现代建筑对底部大空间使用要求较高，转换结构成为一种常见结构形式。以国外某中央银行大厦为例，结构形式为带转换层的框架-核心筒结构，其中上部的64根柱子是通过托柱转换，由10根框支柱转换，就是典型的竖向抗侧力构件不连续，同时亦存在楼层承载力突变。必须通过严格计算并采用相应的加强措施，以保证结构的抗震性能满足设计要求。

1.2 不规则建筑的发展现状

随着中国城市化步伐加快，城市的建筑水平不断提高，越来越多的建筑设计师在进行建筑设计的过程中，加入了创新的设计理念，采用了更加新颖的建筑体型和建筑平面。因而不对称、不规则的高层建筑的数量不断涌现，建筑结构日益复杂。大众对丰富多样的高层建筑带来的视觉冲击赞叹不已，但是对结构抗震性能的重视程度却相对滞后。不规则建筑与体型规则的建筑相比，抗震性能较为脆弱，若不采取有效的抗震设计，在发生强烈地震时，将会有可能给人们带来严重的生命威胁。因此必须要从根本上提高不规则建筑的抗震能力，在保证建筑美观的同时，提高结构承载力，从而推动国家建筑行业的全面发展。

2 提高不规则高层建筑抗震性能的主要措施

2.1 减小高层建筑中相对偏心距

想要从根本上提高不规则高层建筑的抗侧力性能，除了要确定具体的参数标准和评价标准之外，还要根据不规则高层建筑的主要特点，针对其中的薄弱位置采取合理的设计，弥补不规则建筑的主要缺陷，提高不规则建筑的抗侧刚度。首先是相对偏心距。在质心与刚心位置偏差较大时，结构位移比往往较大，在强震作用下，可能导致角部的剪力墙破坏。通过对竖向构件的合理布置，减小偏心率，有利于弥补结构不规则带来的结构抗震能力的削弱，保证结构的安全和稳定。以世界著名建筑设计师贝聿铭为例，在全面展开设计工作之前，首先对备选的建筑方案进行结构试算，根据具体的参数数值，对建筑的平面和立面体型进行科学合理的调整，从建筑方案设计的源头上避免出现偏心率较大的方案，使建筑既美观又安全。

2.2 提高高层建筑结构抗侧、抗扭刚度

提高建筑结构的抗侧刚度，特别是薄弱层的抗侧移刚度，有助于改善结构抗水平力的性能，在保证周期比满足规范要求的前提下，适当加强楼电梯间刚度，对电梯井采用全混凝土筒体，可以减小凹凸不规则及楼板不连续带来的楼板削弱，在楼层内有效传递水平力。同时应加强结构抗扭刚度，可以在建筑外围增加剪力墙或者做成高连梁，使得结构扭转在较高振型出现扭转，较好满足周期比要求。以作者设计的某雅居乐设计项目，建筑体型为风车形，核心区域为楼电梯间，存在楼板凹凸不规则、楼板局部不连续两项不规则项。最后通过设置全混凝土电梯井及周边窗台梁上翻加高的形式，达到了很好的效果，获得了甲方高度肯定。

2.3 对超限不规则建筑进行抗震超限审查

由于建筑使用功能要求，当采用不规则建筑变成不可避免时，则结构师在设计过程中，需要对结构的不规则项进行定性、定量判断，针对不规则项进行验算及采用加强措施。结构是否超限可以由住建部下发文件《建质[2015]67号》判定。在小震作用下补充弹性时程分析，根据弹性时程分析结果调整传统CQC法的楼层剪力，并补充设防地震及罕遇地震作用下的弹塑性分析。弹塑性地震分析有静力弹塑性及动力弹塑性（弹塑性时程分析方法）等方法，设计时应根据建筑高度、结构不规则程度及结构自震周期等选择合适的方法。以作者设计的番禺祈福新邨某高度为170m的超高层建筑为例，由于楼高超过B级建筑高度限值，并且存在多项不规则项，设计中我们采用了小震下的弹性时程分析，中震及大震采用了等效弹性分析，并且对楼板应力进行验算，最终通过了超限高层抗震专项审查。

2.4 科学增加高层建筑防震缝

在实际的建筑工程设计过程中，设计人员经常需要面对平面较为复杂的高层建筑体型，由于不规则建筑的抗震性能差，震害较大，可以通过设置定量的防震缝，将不规则建筑划分为多个体型规则的抗震单元，以保证工程的整体抗震安全性。比如，可以利用防震缝将组合型平面分成规则、简单的独立空间，从而有效减轻了地震可能造成的碰撞，降低了出现房屋破坏的情况。同时，可以根据建筑中不利一侧的结构，来设计防震缝的具体宽度，如果发现两个距离较近的建筑的结构基础沉降值较大，就可以将防震缝兼作沉降缝使用。

3 总结

经济发展必然带来全新的建筑设计理念，在创新发展多类型建筑结构的同时，对结构不规则的设计验算应得到有效保证。提高这些不规则建筑抗震性能，可通过减小建筑的相对偏心距、调整结构刚度及对超限建筑进行超限审查等方法，从而在保证建筑外部美观的同时，提高建筑本身的结构强度，保障人们的生命和财产安全。

参考文献

[1]王海波.高层建筑结构设计不规则性的研究与应用分析[J].价值工程，2016，35（7）：107～108.