1、高层建筑结构设计不规则性的研究摘要：随着高层建筑的增多，结构抗震分析和设计已越来越重要。本文笔者以我国高层建筑混凝土结构技术规程 、 建筑抗震设计规范等为基础，对不规则的高层建筑的概念、定义进行阐述，在不规则高层建筑设计中，应如何运用规范措施，此文可供参考。关键词：高层建筑；结构设计；不规则；规范措施； 中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号： 1、不规则结构建筑设计的要求 体型复杂、平直面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝，并分别符合下列要求： 1.1 当不设置防震缝时，应采用符合实际的计算模型，分析判明其应力集中、变形集中或地
2、震扭转效应等导致的易损部位，采取相应的加强措施。 1.2 当在适当部位设置防震缝时，宜形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差以及可能的地震扭转效应的情况，留有足够的宽度，其两侧的上部结构应完全分开。 1.3 当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。 1.4 对建筑结构的扭转效应需从以下两个方面加以限制：1.4.1 限制建筑结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。1.4.2 限制建筑结构的扭转刚度不能太弱。关键是限制扭转为主的第一自振周期 Tc 与平动为主的第一自振周期 T1 之比。当两者接
3、近时。由于振动耦连的影响，结构的扭转效应明显增大。 2、不规则建筑的设计问题 国内、国外历次大地震震害表明，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，在地震中受到严重的破坏。国内一些振动台模型试验结果表明，扭转效应会导致建筑结构的严重破坏。 2.1 建筑体型设计问题 建筑体型包括建筑的平面形状和主体的空间形状的设计。震害表明，许多平面形状复杂，如平面上的外凸和凹进、侧翼的过多伸悬、不对称的侧翼布置等在地震中都遭到了不同程度的破坏。在建筑体型的设计中，应尽可能地使平面和空间的形状简洁、规则；在平面形状上，矩形、圆形、扇形、方形等对抗震来说都是较好的体型。尽可能少做外凸和内凹的体型，尽
4、可能少做不对称的侧翼和过长的伸翼。在体型布置上尽可能使建筑结构的质量和刚度比较均匀地分布，避免产生因体型不对称导致质量与刚度不对称的扭转反应。 2.2 建筑平面布置设计问题 建筑物的平面布置在建筑设计中是十分重要的部分，它直接反映建筑的使用功能和要求。柱子的距离、内墙的布置、空间活动面积的大小、通道和楼梯的位置、电梯井的布置、房间的数量和布置等，都要在建筑的平面布置图上明确下来。而且，由于建筑使用功能不同，每个楼层的布置有可能差异很大，建筑平面上的墙体，包括外围填充墙、内隔墙、有相应强度和刚度的非承重内隔墙等等布置不对称，墙体与柱子分布的不对称、不协调，使建筑物在地震时产生扭转地震作用，对抗震
5、很不利。2.2.1 有的建筑物，其刚度很大的电梯井筒被布置在建筑平面的角部或是平面的一侧，结果在地震中造成靠电梯一侧建筑物的严重破坏。这是因为电梯井筒具有极大的抗侧力刚度，吸引了地震作用的主要部分。 2.2.2 有的建筑物，在平面布置上一侧的墙体很多，而另一侧的墙体稀少，这就造成平面上刚度分布的很不对称，质量分布也偏心，使结构的受力和变形不协调，导致扭转地震作用效应，带来局部墙面的破坏。 2.2.3 有的建筑物，如底层为商场的临街建筑，临街一侧往往不设墙体，而其另一侧则有刚度很大的墙体封闭，两侧在刚度上相差很多，也将在地震时引起扭转地震作用，对抗震不利。还有的建筑平面布置上，经常出现内隔墙不对
6、齐或中断，使刚度发生突变和地震力传递受阻，对抗震也带来不利，客易引起结构的局部破坏。 建筑平面布置设计对建筑抗震关系很大，从概念上要解决的一个核心问题是：建筑平面布置设计上要尽可能做到使结构的质量和刚度分布均匀，对称协调，避免突变，防止产生扭转效应。在建筑平面布置的总体设计上要尽可能为结构抗侧力构件的合理布置创造条件，使建筑使用功能要求与建筑结构抗震要求融合成一体，充分发挥建筑设计在建筑抗震中的作用。 2.3 建筑竖向布置设计问题 建筑的竖向布置设计问题在建筑设计中主要反映在建筑沿高度(楼层)结构的质量和刚度分布设计上。存在的这个主要问题是，由于建筑使用功能的不同要求，如底层或下面几层是商场、
7、购物中心，建筑上要求是大柱距、大空间；而上面的楼层则是开间较大的写字楼或布置多样化的公寓楼，低层设柱、墙很少，而上面则是以墙为主，柱很少。 有的建筑在布置上还设有面积很大的公用天井大厅，在不同楼层上设有大会议厅、展厅、报告厅等，建筑使用功能的不同，形成了建筑物沿高度分布的质量和刚度的严重不均匀、不协调。突出的问题是沿上下相邻楼层的质量和刚度相差过大，形成突变。在刚度最差的楼层形成对抗震极为不利的抗震承载力不足和变形很大的薄弱层。这是在建筑设计中必须高度重视的问题。 在实际设计中，在建筑使用功能不同的情况下，很可能出现上下相邻楼层的墙体不对齐，柱子不对齐，墙体不连续，不到底；上层墙多，下层墙少；
8、上层有柱，下层无柱等，使地震力的传递受阻或不通；抗震用的剪力墙设置不能直通到底层、剪力墙布置严重不对称或数量太少。 所有这些布置都将给建筑物带来地震作用分布的不均匀、不对称和对建筑物很不利的扭转作用。多次大震害表明，建筑物竖向楼层刚度的过大变化，给建筑物造成很多破坏，甚至是整个楼层的倒塌。因此，尽可能使剪力墙布置比较均匀并使其能沿竖向贯通到建筑物底部，不宜中断或不到底。尽量避免其某楼层刚度过少，尽量避免产生地震时的钮转效应 。 3、建筑结构不规则设计时的抗震作用计算 目前在工程设计中应用的多数计算分析方法和计算方法，都假定楼板在平面内不变形，平面内刚度无限大，这对于大多数工程来说是可以接受的。
9、但是当楼板有大的凹入，大的开洞时，楼板在平面内消弱过大、楼板产生显著的变形，这时刚性楼板的假定不再适用，要采用考虑楼板变形影响的计算方法和相应的计算程序。考虑楼板的实际刚度可以采用将楼板等效为受弯水平梁的简化方法，也可以将楼板划分为单元后采用有限元法进行计算。 平面规则而竖向不规则的建筑，应采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力应乘以不小于 1.15 的增大系数，其薄弱层应按本规范有关规定进行弹塑性变形分析，并应符合下列要求： 3.1 竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应根据烈度高低和水平转换构件的类型、受力情况、几何尺寸等，乘以 1.252.O 的增大系数； 3
10、.2 侧向刚度不规则时，相邻层的侧向刚度比应依据其结构类型符合本规范相关章节的规定； 4、结束语 建筑结构不规则性的判断，在建筑结构设计中占有非常重要的地位。因为对建筑结构不规则性的判断，能直接影响到结构的建模、结构布置、薄弱楼层的判断、位移比的控制，以及最后的施工图设计，从而影响到整个的结构布置是否合理、安全、经济等。对于现代城市日益涌现的造型新颖别具一格的不规则建筑，结构设计人员应细心分析各种情况，从概念设计入手，找出结构的重点和薄弱点，因势利导客服不利因素，使整个结构在平面和竖向合理地布置结构刚度，避免和减少结构可能出现的薄弱部位，同时加强薄弱部位的构造措施，是建筑物从一格貌似不规则的建筑调整成一个结构上的规则建筑，只要结构工程师认真分析，抓住重点、强化构造，不规则结构设计中的抗震设计问题是很容易解决的。参考文献: 1.建筑抗震设计规范.GB50011-2001.北京：中国建筑工业出版社，2001. 2.高层建筑混凝土结构技术.JGJ3-2002.北京：中国建筑工业出版社，2002. 3.唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工.北京：中国建筑工业出版社，2002.
