简析高层建筑结构设计中的不规则问题与抗震方法.pdf

江西建材规划设计与建筑1192023年6 月简析高层建筑结构设计中的不规则问题与抗震方法徐建清北京中合现代工程设计有限公司，福建 厦门 361001摘 要：文中详细分析了由于不规则结构引起的扭转力较大、材料与设计不当以及由结构高度引起的问题，还介绍了平面楼板不规则结构设计的抗震路径，以及改善不规则结构抗震性能的方法，以供参考。关键词：高层建筑；结构设计；不规则问题；抗震技术中图分类号：TU972文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）06-0119-03A Brief Analysis of Irregular Issues and Seismic Methods in the Design of Tall Building StructuresXu JianqingBeijing Zhonghe Modern Engineering Design Co.Ltd.,Xiamen,Fujian 361001Abstract:The article provides a detailed analysis of the large torsional force caused by irregular structures,improper materials and design,and issues caused by structural height.It also introduces the seismic path for the design of irregular structures in flat floor slabs,as well as methods to improve the seismic performance of irregular structures for reference.Key words:High-rise buildings;Structural design;Irregular issues;Seismic technology作者简介：徐建清（1983-），男，福建漳州人，本科，工程师，主要研究方向为结构设计。0 引言高层建筑因其空间利用率高、视野好等优点，被广泛应用于建筑行业中。然而，随着建筑高度的增加和结构形状的复杂化，高层建筑的结构设计面临着许多挑战。其中，不规则结构设计是主要问题之一。不规则结构可能会引起扭转力较大、材料与设计不当以及结构高度引起的问题。因此，如何有效地解决这些问题，以提高建筑的稳定性和安全性，是当前建筑工程领域的一个重要研究方向。1 现代高层建筑结构设计的特点1.1 水平不规则性现代高层建筑的水平不规则设计更加关注建筑的功能和美学，其建筑平面布局、建筑体量分布和建筑外墙形态等方面存在明显的不规则性。据统计，近年来，这种设计方式在全球范围内的应用比例已经超过35%。根据GB 500112010 建筑抗震设计规范 （2016 版）（以下简称 抗规）表1，平面不规则的主要类型分为：扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续等。表1平面不规则的主要类型不规则类型定义和参考指标扭转不规则在具有偶然偏心的规定水平力作用下，楼层两端抗侧力构件弹性水平位移（或层间位移）的最大值与平均值的比值大于1.2。凹凸不规则平面凹进的尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%。楼板局部不连续楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效宽度小于该楼层板典型宽度的50%，或开洞面积大于该楼层面积的30%，或较大的楼层错层。1.1.1 不规则结构尺寸的设计在水平不规则性设计中，建筑的横向尺寸存在明显变化。例如，有些建筑的每层楼面面积会随楼层的增加而逐渐减小，形成独特的塔楼形态。有的高层建筑每隔几层楼面面积会有一次明显的变化，形成多层次的空间感。这些设计都需要根据建筑的具体功能和使用需求来确定。1.1.2 不规则结构规格的考虑在考虑水平不规则性设计时，建筑师和结构工程师需要考虑的关键因素包括结构稳定性、建筑功能和建筑美学等。结构稳定性是保证建筑安全的首要条件。因此，设计师需要明确不规则结构的力学性能，以确保其满足相关的安全标准2。另一方面，建筑功能和美学也是设计的重要因素。例如，建筑的平面布局需要满足使用功能的需求，建筑的外墙形态需要符合美学的要求。1.1.3 不规则结构的实施情况水平不规则性设计在实施时也需要满足一定的技术条件。例如，使用高强度的建筑材料和精确的施工技术，以保证建筑的结构稳定性。据统计，采用这种设计的建筑，其结构设计和施工难度一般比规则结构高出20%30%。1.2 竖向不规则性现代高层建筑设计趋于采用不规则性设计，特别是竖向不规则性。有些建筑体型在高度分布、空间布局和形态等方面有着不同程度的变化，以符合使用功能、环境条件、视觉效果等多方面需求。近几年来，我国新建高层建筑中竖向不规则建筑比例达到了30%以上。根据 抗规表2，竖向不规则的主要类型分为：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。江西建材规划设计与建筑1202023年6 月表2 竖向不规则的主要类型不规则类型定义和参考指标侧向刚度不规则该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层或出屋面小建筑外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%。竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递。楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一层的80%。1.2.1 建筑材料的创新应用随着科技的进步，新型建筑材料在高层建筑设计中的应用越来越广泛，如高强度混凝土、高性能钢材、新型玻璃和复合材料等。据2022年的数据，我国超过50%的现代高层建筑采用了这些新型建筑材料。这些材料既有助于提高建筑的结构稳定性和安全性，又能满足建筑设计的美学需求。1.2.2 智能化设计现代高层建筑更加注重智能化设计。根据2022年的数据，新建的高层建筑中有75%采用了智能化设计，包括自动化设备、节能环保技术、人工智能和物联网技术等1。这些智能化设计不仅能提高建筑的使用效率和舒适度，还能降低建筑的能耗和运营成本。1.2.3 绿色环保设计绿色环保已成为我国现代高层建筑设计的一个重要特点。在设计中，建筑师会尽可能地利用自然资源，减少能源消耗，并使用可回收和环保的材料。2 高层建筑不规则结构设计存在的问题国内、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刚度太弱的结构，在地震中会遭到严重的破坏。2.1 扭转较大问题扭转较大是高层建筑不规则结构设计中的一个主要问题。首先，扭转较大可能会使结构承受超过设计承载力，从而导致建筑结构变形，甚至发生破坏。其次，扭转还可能引起结构的动态响应问题。例如，扭转可能引发或加剧建筑物的共振现象，使得结构的振动更加剧烈，对建筑物的安全性和使用寿命造成负面影响。最后，扭转还可能影响结构的稳定性，比如，结构在承受某种荷载组合时发生翘曲或失稳。2.2 材料与设计不当材料与设计不当是另一种在高层建筑不规则结构设计中可能遇到的问题。例如，选用的材料可能无法满足设计的需求，比如承载力不足、耐久性差等。或者在设计过程中，没有充分考虑到材料的性能，导致设计的实施效果不理想。例如，选用的材料可能无法承受预期的荷载，或者无法抵抗环境的腐蚀，从而导致建筑物的结构性能下降，甚至导致建筑物发生严重的结构问题。2.3 结构高度的问题结构高度增加意味着建筑物对结构强度和稳定性的要求也会提高。随着高层建筑结构高度的增加，其自重以及在风荷载和地震等动荷载作用下的内力和位移也会相应增大，如果没有充分考虑并进行有效的设计，可能导致结构的变形过大，影响建筑物的使用性能，导致结构无法满足使用和安全的要求3，甚至可能因超过承载能力而导致结构的损坏。随着结构高度的增加，建筑物的抗风性能也成为一个重要的问题。高层建筑会受到更强烈的风压，这可能导致大的横向位移和振动，影响建筑物的使用性能和安全性。此外，高层建筑还可能在风作用下发生涡振和颤振等复杂的动态响应，如果没有合理设计，可能会引发结构破坏的问题。3 高层建筑不规则结构设计抗震举措3.1 平面楼板不规则结构设计的抗震措施结构平面布置应力求简单、规则，避免刚度、质量和承载力分布不均匀，不应采用严重不规则的平面布置。高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和收进，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化。以上内容是抗震概念设计的基本要求。高层建筑不规则结构设计在抗震设计方面需要特别注意和处理。平面楼板的不规则结构设计，可能会导致建筑物在地震时产生复杂的动态响应，增加结构的破坏风险。因此，设计一个有效的抗震路径对于不规则结构的抗震设计至关重要，具体如下：（1）需要确定结构的质量中心和刚度中心。这是因为质量中心和刚度中心的偏心距会影响结构的扭转响应。比如，在一个 L形的平面楼板中，质量中心和刚度中心可能会偏离结构的几何中心，产生较大的扭转响应。因此，需要通过改变结构布置或增加刚度等方法，使质量中心和刚度中心尽可能接近，以减少偏心距。（2）需要根据结构的动态特性来设计抗震路径。可以通过有限元分析等方法，确定结构的自振频率和振型，从而确定主要的抗震路径。比如，对于一个复杂的不规则结构，可能需要通过调整结构布置或增加刚度等方法，使得结构的自振频率和振型更有利于抗震。（3）需要充分考虑结构的耗能性。地震作用下，结构需要有足够的耗能能力来吸收地震能量，以减少地震对结构的破坏。这可以通过增加结构的延性，如使用高延性的钢材、增加构件的塑性铰等方法来实现。（4）需要考虑结构的连续性和完整性。一个完整和连续的结构可以提供多个抗震路径，提高结构的抗震能力。这可以通过设计连续的梁柱系统、增强结构节点的刚度和强度等方法来实现。（5）需要详细分析动态响应，评估结构在地震作用下的响应。这可以通过时间历程或者响应谱分析，确定结构在地震作用下的位移、速度、加速度等响应4。比如，对于一个复杂的不规则结构，可能需要使用高级的有限元软件，进行三维动态响应分析。3.2 综合选择相对适合的建筑场地（1）地形地貌是选择建筑场地的重要考虑因素。根据 抗规第3.3.1 条要求，应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价。对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时，应采取有效的措施。对危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。（2）水文条件是另一个需要考虑的因素。这包括地下水情况、水源、洪水等。例如，如果地下水位高，可能会影响地基的稳定性和防水设计；如果有水源，可能需要进行保护；如果有洪水风险，需要进行防洪设计。（3）气候条件，温度、湿度、风速等也会影响建筑的设计和施工。例如，高温和高湿度可能会影响施工效率和建筑材料的性能；强风可能会影响建筑的抗风设计。江西建材规划设计与建筑1212023年6 月（4）交通状况也是一个需要考虑的因素。如果交通不便，会增加施工的难度和成本，也会影响建筑的使用效果。这需要通过交通调查和分析，得到具体的数据，如道路宽度、交通流量等，然后进行评估和比较，选择最合适的场地。（5）环境影响，噪音、空气质量等也会影响建筑的设计和使用。例如，噪音高会影响建筑的隔音设计和使用效果；空气质量差会影响建筑的通风设计和使用效果。3.3 建筑不规则结构关键点建立隔震装置（1）需要确定关键点的位置。关键点应该选择在结构的刚度较大或者受力较大的位置。例如，可以在梁柱节点、地下室顶板等位置设置隔震装置。此外，还需要考虑到建筑的不规则性，例如，对于 L形或者 T形的不规则结构，关键点可能需要设置在结构的转角处，以有效控制结构的扭转响应。（2）需要设计隔震装置的参数，如刚度、阻尼、行程等。这需要根据结构的动态特性，如自振频率、阻尼比、振型等，以及地震的输入特性，如地震强度、频率内容等，来进行设计。隔震装置的刚度应该较小，以减小地震对结构的影响；隔震装置的阻尼应该较大，以便消耗地震能量；隔震装置的行程应该足够大，以便容纳地震的位移5。例如，对于一栋10 层的建筑，隔震装置的刚度可能需要设计在2030 kN/mm，阻尼可能需要设计在1520%，行程可能需要设计在150200 mm。（3）进行结构分析和验证。这包括静力分析、动力分析、稳定性分析等。静力分析可以验证结构在重力和风荷载等静荷载下的性能；动力分析可以验证结构在地震等动荷载下的性能；稳定性分析可以验证结构在各种工况下的稳定性。因此，设计人员需通过有限元分析或者其他结构分析方法，得到具体的数据，如位移、应力、稳定性系数等，然后进行评估和比较，以验证隔震装置的设计是否合理。（4）完成设计、施工图纸。这包括隔震装置的详细设计，如尺寸、材料、连接方式等；也包括施工图纸，如布置图、断面图、详图等。这需要通过 CAD或者其他绘图软件，绘制出具体的设计和施工图纸，然后进行审查、修改，以确保隔震装置的设计和施工的质量。3.4 不规则结构部件合理设计布置建筑形体及其构件布置不规则时，应按相关要求进行地震作用计算和内力调整，并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。构件的合理设计和布置对于整体结构的稳定性和安全性至关重要。本文以一个具有大跨度和不规则形状的高层建筑为例。（1）假设其主体结构采用了钢筋混凝土框架核心筒结构系统。在这样的结构系统中，框架柱的布局通常需要遵循柱网规律，并尽可能避免过大的柱距。比如，设计人员需在主要承重方向上，柱的间距可以设计在56 m，以有效分散荷载并提高结构的整体稳定性。（2）对于大楼中的不规则部分，例如有悬臂结构或者异形平面的部分，设计人员需要根据结构的特性和需求，最终完成设计与布局。例如，如果楼层有一个2 m的悬臂结构，设计人员可以考虑在悬臂部分设置增强梁，梁的截面尺寸可以设计成500 mm800 mm，以提高悬臂部分的承载能力和刚度。同时，设计人员还需要在悬臂的根部设置足够强度和刚度的节点，例如使用安全深度节点，以提高节点的力学性能。（3）对于异形平面的部分，设计人员需要根据平面形状和结构需求，合理布局。若平面是 L形，设计人员可以考虑在 L形的转角处设置一个较大的柱，例如600 mm600 mm，以提高转角处的刚度，并减小偏心距6。同时，设计人员还需要在 L形的两个翼部设置足够的柱，以提供足够的承载能力。4 结语综上所述，建筑设计应根据抗震概念设计的要求,明确建筑形体的规则性。不规则的建筑应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑应进行专门研究和论证，采取相应的加强措施；严重不规则的建筑不应采用。希望通过本文的讨论，能够为高层建筑的结构设计提供一些参考和启示，帮助建筑工程师和研究人员更好地理解和处理高层建筑不规则结构设计中的问题。参考文献 1 吴文峰.高层建筑结构设计中的不规则问题与抗震方法探究 J.江西建材，2022（8）：110-112.2 阮亚军.抗震概念设计在高层建筑结构设计中的应用J.住宅与房地产，2021（34）：94-95，100.3 颜剑超.高层建筑结构设计中不规则问题与抗震措施分析J.砖瓦，2021（10）：91-92.4 毕大博.高层建筑结构设计中的不规则问题与抗震措施J.建筑技术开发，2021，48（14）：1-2.5 朱昀.高层建筑结构设计中不规则问题与抗震措施分析J.住宅与房地产，2020（5）：70.6 曹军.高层建筑结构设计中平面不规则问题的分析与抗震措施J.中华建设，2012（12）：172-173.及市场背景，结合当地文化景观特色进行合理开发，以达到推动地区经济发展和进步的目的。在进行乡村景观开发设计的同时，还应力求突出当地人文历史优势与内涵，基于游客需求以及旅游业发展特点打造完善的景观功能体系，提升开发规划水平。参考文献 1 刘家妍.农文旅融合发展背景下的乡村景观设计探究J.农村实用技术，2022（8）：50-52.2 刘璐.景观设计在乡村振兴中的运用与意义探讨J.大观，2021（6）：28-29.3 王涌泉，张杰.乡村振兴视角下乡村景观设计初探：以江苏徐州大周村为例J.安徽建筑，2019，26（12）：53-56.4 雷兆辉.实例探讨乡村振兴的现状及规划设计策略J.中华建设，2018（11）：94-95.5 方浩俊.乡村景观设计J.建筑经济，2023，44（2）：106.6 王慧.文化触媒视角下文旅融合型乡村景观规划设计研究：以苏州市冯梦龙村东北区域为例D.苏州：苏州大学，2021.（上接第118页）