《高层建筑结构设计不规则性和应用》
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摘 要：随着我国经济的发展与城市化进程的加快,人们对于建筑工程结构设计要求也越来越高,这在一定程度上给我国建筑结构设计人员提出了挑战.现代建筑设计中,不仅丰富了建筑形态,也增加了建筑功能,当前不规则性在建筑结构设计中占据越来越多比重.鉴于此,文章对高层建筑结构设计不规则性的研究进行了分析.
关键词：高层建筑;结构设计;不规则性
引言
经济的快速发展不仅提升了人们的生活水平,也给建筑行业带来了更多的要求和挑战,虽然对建筑业的发展有着重要的促进作用,但是也使其产生了许多问题.现代社会的建筑行业正逐步向着高层结构与个性设计的方向发展,其中建筑整体的不规则性体现最为明显,这对建筑结构性能的要求便直接提高了.因此需要对建筑结构的不规则性进行深入的研究和探讨.
一、高层不规则建筑结构的特点
高层建筑不规则结构的形式比较多,当前较为常见的有平面不规则和竖向不规则两种形式,这两种形式的特点也有所不同.
（一）平面不规则结构类型.①扭转不规则.高层建筑结构扭转不规则是指建筑每层的最大弹性水平位移都要比楼层两端弹性水平位移平均值的1.2 倍大,判断标准是在单向偶然偏心地震作用下的位移比大于1.2 倍,甚至超过1.5 倍.②凹凸不规则.凹凸不规则的判断标准是建筑结构平面凹进一侧的尺寸超过其投影方向总尺寸30%.③楼板局部的不连续.楼板局部是指建筑结构的楼板尺寸和平面刚度变大,较为常见的楼板局部不连续主要有楼板开洞面积大于楼面面积的30%,楼板有效宽度大于典型宽度的50%.对于一些比较不规则的楼板,可能会出现楼板最小有效宽度小于2m 或者有效净宽度大于5m 的情况.
平面不规则会造成建筑结构的平面刚度偏心、平面强度偏心以及平面质量偏心,给建筑施工造成一定的难度,同时会影响建筑结构的安全稳定性.
（二）竖向不规则结构类型.①侧向刚度不规则.侧向刚度不规则是指建筑除了顶层以外,整个建筑的每一层侧向刚度值都要小于相邻上一层的侧向刚度的70%;还小于该楼层以上相邻三层侧向刚度平均值的80%;每一层局部收进的水平方向尺寸都要大于相邻下一层水平尺寸的25%.②竖向抗侧力构件不连续.竖向抗侧力构件不连续主要是指建筑的竖向构件缩进大于25% 或者外挑大于4m 和10%,上下墙“柱”支撑不连续,其主要判断依据是竖直方向上的抗侧力构件内力可以通过水平转换为构件向下传递.③楼层承载力突变.这种不规则是指建筑结构相邻层的受剪承载力变化大于80%.
二、高层建筑结构设计不规则性的优势
(一)提升建筑外观美观度
不规则性建筑最突出的优势是美观度提升,这也是大量不规则设计高层建筑能够成为地区标志性建筑物的核心原因.如美国纽约的希尔顿酒店大厦,作为全球知名的大型企业,希尔顿大厦在设计上充分体现变革精神,以不规则性的设计彰显大厦个性,将与众不同的建筑风格呈现出来,与周围众多呆板建筑形成对比,美感度得到了明显提升.迪拜帆船酒店、中国鸟巢体育中心、加拿大玛丽莲梦露大厦等也具有类似的特点,外观美感度的提升也可以看做是不规则性建筑设计的主要发展趋势.
(二)提升建筑抗震能力
建筑抗震能力提升一直以来为业界所重视,提升抗震能力的关键是强化建筑的受力性能,避免地震来临时的拉应力、扭力造成快速破坏,不规则性设计可以使建筑相关能力得到提升,较为典型的是日本建筑.日本高层建筑在设计时,会根据地区具体情况使结构带有不規则性,如在建筑距顶部2/3 处增加一些非对称结构,当地震发生时,非对称结构可以首先承担部分扭力和拉应力,避免建筑中部快速破损,使人员拥有更多的逃生机会.此外,意大利、西班牙、希腊等国也在提升自身建筑水平,通过优化抗扭构件设计的方式改善建筑结构的扭转效应,设计大量带有不规则性外观结构的建筑,提升了建筑的实用价值.
三、高层建筑结构设计中不规则性的应用
当高层建筑受到地震以及自然因素的冲击时,不规则的建筑结构相对容易被破坏,同时不规则建筑结构还存在刚度偏心、质量偏心等问题,这就需要对高层建筑不规则结构的设计进行进一步的研究.对于高层不规则建筑结构,扭矩效应是最为严重的破坏方式.因此,要尽量采取有效措施,尽可能降低扭转作用.
(一) 有效减少建筑物结构偏心距离
在此前研究人员的实验中,偏心距对抗震的影响进一步得到证明,总体来看,理想状态下的建筑扭转效应与相对偏心距呈线性关系,改善建筑的扭转效应可以提升对楼层位移的控制能力,降低地震时的瞬时破坏作用.减小结构偏心率,可以调整建筑外观的平面布置,改变结构构件特性,调整原则为刚心和结构质心尽量接近,从而改善建筑的扭转效应.这就要求设计人员了解建筑所在地区地震发生的情况和破坏水平,再计算建筑刚心和质心的偏心距,以保证承重结构性能为前提条件,酌情增加质心较远的剪力墙,减少质心较近的剪力墙、且尽量对称布置,从而保证较小的偏心以及较大的抗扭性能.
(二)对建筑结构抗侧与抗扭刚度比进行合理纠正
在进行高层建筑工程结构设计过程中,结构周期与扭转效应为线性关系,因此,在进行高层建筑工程结构不规则设计过程中,应该尽量缩短周期.在进行剪力墙结构设计过程中,应该注意适当增加剪力墙厚度,适当增加扭转刚度,缩短结构扭转周期.
(三) 对不规则性高层建筑周边抗扭构件抗剪力进行有效增强
根据对高层建筑不规则性结构设计进行科学合理的研究,发现该结构和普通结构进行比较,不规则性建筑的整体结构稳定性和抗震性能都无法得到良好的保证.因此在高层建筑结构设计过程当中,想要有效增加不规则建筑的抗震性能就必须选择较为合适的结构体系,至于其稳定性保证方面,就一定要想办法提升高层建筑结构设计中抗扭构件的抗剪能力.
(四)合理增强高层主体结构边缘构件的抗剪强度
想要达到更好的结构分布效果不仅仅要在主体结构的调整上下功夫,如果出现了较大的外力作用,建筑的主体结构就会发生非常严重的破坏,相关人员的调查研究发现,高层建筑如果经常受到额外的外力影响,如果发生了严重的自然灾害或者是外力破坏现象就会导致建筑变形或者是偏心严重等问题,在这样的情况下就要更好地保证建筑的抗震性能要达到一定的标准,要加强边缘构件的强度,这样即使在建筑结构受到很大的外力作用时也能很好地保证建筑能够安全的发挥自身的功能.
(五) 科学增加高层建筑防震缝
在实际的建设过程中,结构工程师往往会碰见空间与平面形体繁杂的高层建筑图纸,在多种因素的制约下,很难将这种繁杂结构设计成有规则性的整体,这就需要依靠建立一些防震缝来保证工程项目的质量.在建立防震缝的时候,应该注意以下两点内容：第一,如果建立防震缝两侧的设施并不相同或者对地震的抗力不同,就应该按照不利一侧结构进行建立.第二,如果出现临近建筑沉降超出限值的情况,就应该建立沉降的防震缝.
四、结束语
不规则设计在现代建筑中越发多见,在具备现代艺术感的同时也提升了建筑性能,包括抗震、抗风等.结合当前国内外建筑情况,高层建筑结构设计的不规则性可以进一步发展更广泛地应用.在实际应用中,应注意抗扭构件设计、结构周期比、结构相对偏心距等,确保建筑美观实用.
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建筑引用文献:
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