高层建筑结构设计中的不规则问题与抗震方法

叶博文

中国联合工程有限公司 浙江 杭州 310051

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、设计不合理以及结构高度引起的问题；因此，如何有效地解决不规则结构和抗震设计问题，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 高层建筑结构设计的特征

1.1 水平方向不规则性

高层建筑水平方向不规则设计是因为更注重功能与美感导致的，在平面布局、体量分布与外墙形式上呈现出显著的非均匀化特征[1]。有数据显示，近几年，该设计方法在世界上所占的比重已超过了35%。按照《建筑抗震设计规范》（2016版）（以下简述《抗规》）如表1，平面不规则结构类型主要有：扭转不规则结构、凹凸不规则结构和楼板部分不连续结构等。

表1 平面不规则结构的分类

1.1.1 不规则结构尺寸的设计

在水平方向不规则结构设计中，建筑物的横向尺度有很大的差异。比如，一些建筑物随着层数的增多，其每层的面积都会逐步减少，从而形成了特殊的塔状结构。一些高层建筑在不同楼层之间存在着显著的楼层差异，从而使空间呈现出不同的层次感；这些都要按照特定的用途和要求来进行[2]。

1.1.2 不规则结构规范的考虑

在水平方向不规则结构设计时，结构的稳定性、功能以及建筑的美感是建筑师与结构工程人员进行设计时所要考虑的主要因素。为了确保建筑物的安全性，结构的稳定是第一要点。为此，设计人员需对不规则结构的受力特性进行分析，以保证不规则结构符合有关安全规范。此外，还应考虑到建筑的功能性与审美观。比如，建筑物的平面布置要满足功能性，建筑物的外观造型要符合美学。

1.1.3 不规则结构的实施情况

在水平方向不规则结构设计时，还必须符合某些技术条件。为了使结构整体计算结果满足规范要求，采用使用高强建材和精密施工工艺，从而确保建筑物的结构稳定。有资料表明，在此类房屋中，其结构设计与建造的难度通常要比常规房屋高20%-30%。

1.2 竖向不规则性

在高层建筑结构设计中，对不规则结构的应用越来越广泛，尤其是竖向方向不规则结构的应用。为了符合使用功能、环境条件、视觉效果等多方面的要求，一些建筑体型在高度分布、空间布局和形态等方面都有不同程度的变化。近年来，在我国新建的高层住宅中，垂直非规则的建筑物所占比重已超过30%[3]。按《抗规》表2将竖向不规则结构类型划分为：侧向刚度不规则结构、竖向抗侧构件不连续结构和楼层承载力突变结构等。

表2 不规则结构的分类

图1 竖向不规则结构

2 高层建筑不规则结构设计存在的问题

国内外历次大地震的震害研究表明，在高层建筑不规则结构设计中，平面形状不规则、刚度与质量偏斜以及扭转刚度过低等都会造成较大的震害。

2.1 扭转较大

在高层建筑不规则结构设计中，扭转过大是一个突出的问题。首先，过大的扭矩会使得结构的承载能力超出设计极限，进而引起结构的变形，严重时甚至出现失效。其次，扭振也会对结构产生动力反应。例如，扭转会诱发或加剧建筑中的“谐振”，使其产生强烈的振动，从而严重影响建筑的安全与服役寿命[4]。然后，扭力也会对结构的稳定产生影响，又如，当受到一定的荷载组合作用时，结构会产生变形或不稳定。

2.2 建筑结构高度的问题

随着建筑高度的增大，对结构的强度及稳定性能的要求也随之增大。由于高层建筑的高度越来越高，在风、地震等动力载荷的影响下，其自身重量、内力、位移都将越来越大，若不能对其进行合理的设计，将会引起结构的过度变形；因此，需要对建筑结构高度问题加以重视。

随着建筑高度的不断增大，建筑的风荷载也随之增大。在高层建筑中，由于其承受较强的风压力，会引起较大的侧向位移、振动等，从而对结构的服役性能及安全产生不利影响。另外，由于风荷载的存在，高层建筑在风荷载作用下会产生复杂的动力反应，如旋涡振动、颤振等，若不进行合理的设计，将会导致结构失效[5]。

3 高层建筑不规则结构设计思路

3.1 控制高层建筑结构偏心距比例

根据工程实际情况分析，偏心率与扭转应力呈线性关系，需进行调节，逐渐减小非规则结构的联系，调节扭转效应；尽量减小间距[6]。根据各层的变形比的减小，对建筑物的平面结构进行了调整，达到了对框架的合理操纵。根据不同的建筑物的刚度等级来比较分析，并与建筑物的构造相结合，精确判定，逐步提高建筑物的稳定性；力求改善建筑物的抗侧性能。

3.2 合理调整抗侧强度及扭曲刚度

经大量研究与调查可知，随着振动周期的改变，会对扭转效应带来明显的影响。以上述理论为基础，出于优化高层建筑扭转效应的目的，可将振动周期作为切入点进行分析，采用改变振动周期的方式来缓解扭转效应。通过对建筑物偏心率进行合理的线性关系测量，调节在扭转应变作用下的变化关系。运用一系列的设计运算，对非规则建筑物的结构周期进行调节。依据抗震规范，突出关键改善点，强化结构设计的合理性，强化结构抗扭刚度分配[7]。

比如在对剪力墙进行设计时，应选择合适的墙体厚度与长度，这对中心间距较大的墙体而言显得更为重要。常见的方式有：在结构边缘增设梁、柱等结构，以改善结构抗扭强度，缩减振动周期。此外，还可对边缘连续梁的刚度进行调整，优化扭曲刚度。就理论层面而言，基于提升连续梁抗剪能力的方式可有效增强结构的性能；从实际操作层面考虑，则需合理加大剪力墙连梁的截面宽度[8]。基于以上方法，对于剪力墙连梁结构的整体刚度也可发挥出积极效果，能够确保建筑结构的稳定性。

4 建筑工程结构的抗震设计措施

4.1 平面楼板不规则结构设计的抗震措施

在平面楼板布局上，应尽量做到简洁、规整，避免刚度、质量、承载力等方面的无序分布，避免使用无序布局。高层建筑竖向体型宜整体均匀，避免过度外挑与内凹，抗侧刚度宜下部增大，上部减小，并逐步均匀化;上述内容为建筑结构抗震概念设计中应注意的问题。

在高层建筑工程中，对不规则结构的设计应给予足够的重视。由于平面楼板的不规则性，使得建筑在地震作用下会发生较为复杂的动力反应，从而加大了结构失效的风险。因此，如何设计合理的抗震措施，是一项非常重要的研究课题。

(1)结构的重心及刚度重心的确定。由于质心与刚性心的偏心率对结构抗扭反应有较大的影响。例如，对于L型的平板，其质心与刚性心都会发生偏移，从而使其产生较大的扭转反应；为了减小偏心率，应采取调整结构布局、增大刚度等措施[9]。

(2)地震作用下，地震作用路径的设计应考虑到结构的动力性能。在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[10]。例如，对复杂的、不规则的结构来说，可以通过改变结构的布局，或者增加刚度，使其具有更加有利于地震的自振频率和振型。

(3)结构的耗能性能必须得到充分的考虑。在强震下，建筑结构必须具有较强的消能性能，以降低强震对结构的损伤。提高结构的延性，可以采用高延性钢材和增加杆件的塑性铰。

(4)结构的连贯性与整体性是必须要考虑的。一个完整、连续的框架结构，能够为其提供多种地震反应途径，从而增强其抗震性能。在此基础上，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)对结构的动力响应进行了详尽的分析，并对其进行了抗震性能评价。这可以通过时间历程或响应谱分析，来确定结构在地震作用下的位移、速度、加速度等响应。例如，一些比较复杂的、不规则的结构，那么就必须要借助一些比较先进的有限元软件，对其进行三维动力反应分析。

4.2 综合选择相对适合的建筑场地

在选择建设地点时，应充分考虑地形特征。按照《抗规》3.3.1条的规定，对抗震有利区、一般区、不利区和危险区按照工程需求、地震活动规律、工程地质、地震地质等方面的相关数据分析，进行综合评定[11]。对于不利于施工的地区，应当作出避让的规定。在不能避免的情况下，必须采取相应的解决措施。在危险区域内，禁止建设甲级和乙级建筑物，丙级建筑物也不允许。

4.3 建筑不规则结构关键点建立隔震装置

(1)关键节点的定位。关键点应选取在结构刚性大或应力大的部位。减震措施可设置在梁柱节点、地下室顶板等部位。另外，要考虑建筑物的不规则形状，如 L型、 T型等；为了对结构的扭力反应进行有效的控制，可以在结构的拐角上布置一些关键节点。

(2)隔振器的刚度、阻尼和冲程等参数的设计。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。为了减少结构在地震作用下的反应，隔震装置应具有小的刚性。隔震设备应具有更大的减震效果，以减少地震的能量。隔震设备的移动距离应足以承受地震产生的位移量。

(3)对其结构进行分析与验证。其主要内容有静态分析、动态分析、稳定分析等。通过静力分析，可以对其受风、自重等静载荷作用下的工作特性进行检验。对该结构进行动态分析，能够对其在地震作用下的表现进行检验。

通过稳定分析，可以对不同工作状态下的结构稳定性进行验证。所以，设计人员需要使用有限元分析或其他的结构分析方法，来获得诸如位移、应力、稳定系数等特定的数据，之后再对这些数据进行评价与对比，来验证该隔震装置的设计是否合理。

4.4 优化建筑抗震设计思路

建筑结构设计中，要对建筑物的密度和稳定性进行优化。在建筑抗震设计中，注重建筑物的高度和面积的标准配置。在此基础上，对结构的自重模型进行修正，并做了相应的基础设计，使其尽量避免在软弱土层和地下水区。改善建筑物的受力平衡，增强主体结构的稳定性。在地震作用下，对地震作用下的建筑结构进行合理分析；根据工程实际情况，对工程周围环境、地质变化、条件模式等展开详细周密的勘探分析，并综合考虑有效的设计调控措施和标准。

5 总结

综上所述，进行建筑工程不规则结构设计时，必须按照地震作用下的概念设计，确定建筑物外形的规律性。对不规则的建筑物，按照规范进行加固处理。对于特殊形状的建筑物，需要进行专项调查、论证，并采取适当的加固措施，严重不规则的建筑不应采用。期望藉由以上之探讨，能对高层建筑工程结构设计有一定之借鉴与启迪，并有助于设计人员对不规则结构认识与处理。