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高层建筑结构不规则设计分析

【摘要】不规则设计能够提升建筑的美观,但是不会对建筑结构的刚度产生显著的影响,具体表现为不规则以及不连续问题。对于这方面的问题如果不进行科学合理的设计,就会对整个建筑结构的安全性和稳定性构成威胁,从而埋下重大的安全隐患。本文针对高层建筑不规则性的概念进行了介绍,在此基础上详细介绍了建筑不规则结构的两种主要类型,最后具体阐述了加强不规则设计的有效以及具体实践问题。

【关键词】高层建筑;结构设计;不规则性

最近几年以来,我国在不断的推进城市化进程,使得对于建筑用地的需求量在迅速增加,城市用地出现紧张局面,为了使得该问题得到一定程度的缓解,越来越多的高层建筑拔地而起,进入人们的视线[1]。但是,由于多方面因素的影响,比如人的审美观点、外部环境因素以及建筑所处位置的地质因素等,不可避免的需要对建筑结构实施不规则设计[2]。对于高层建筑结构而言,其不规则性不但表现在建筑的对称不规则方面,还表现在建筑平面的凹凸不规则方面。虽然不规则设计能够提升建筑的美观,但是不规则设计会对建筑结构的刚度产生显著的影响,具体表现为不规则以及不连续问题。对于这方面的问题如果不进行科学合理的设计,就会对整个建筑结构的安全性和稳定性构成威胁,从而埋下重大的安全隐患[3]。因此为了确保高层建筑的质量,相关的设计人员必须对结构不规则性问题进行深入分析,在此基础上制定出科学合理的设计方案。

1高层建筑不规则性含义及其特点

早在2012年的时候,我国就对高层建筑做出了明确定义:高度超过27m的住宅建筑或者是其它高度超过24m的非单层建筑都称之为高层建筑。不管是从全方位造型上还是在建筑的形象上,不规则性和对称规则的高层建筑之间都存在较大的差异。由于外部不可抗拒因素的影响,比如施工条件、周围环境、以及设计因素等,通常情况下建筑体很难做到绝对规则或者对称,出现不对称或者不规则才是正常现象。建筑物不规则性的表现形式有很多,概括起来有下面几点:在竖直方向上建筑物的刚度出现上不连续现象、建筑物局部楼板出现不连续想象、平面设计出现不规则现象。众所周知,和规则性高层建筑相比较而言不规则性高层建筑对于建筑本身的要求会更高,比如主题结构、电气配线分区、设备管线、材料抗压变形以及内部用料等,上述各方面对于外部因素变化造成的影响应该有更好的适应性。在具体操作的过程当中,首先应该对建筑结构不规则的位置进行准确的判断,只有这样才可以有针对性的制定建筑结构方案,从而确保整个建筑的安全性以及稳定性。通常请况下,不规则建筑会导致建筑结构在水平方向上出现偏心侧力,该力的作用下使得建筑材料出现不同程度的扭转变形。从上述的分析可以知道,为确保高层建筑具备足够的抗侧力,其施工成本必然会比普通建筑高很多。另外一方面,对高层建筑进行不规则性设计会对建筑的位移比的控制以及结构布局等产生重大影响,所以,在设计高层建筑的过程中,必须综合分析考虑有可能会对高层建筑结构设计产生影响的所有因素。如图1所示为阿尔哈姆拉大厦,在科威特首都科威特城,该建筑完工于2009,是典型的不规则高层建筑,具有重要的代表性。

2建筑不规则结构种类

2.1竖向不规则。1)侧向刚度不规则,确定是否为该种类型的标准如下:和上层相邻楼层相比,某楼层其侧向刚度数值低于前者的70%,或者是和上面三层的平均侧向刚度相比,低于前者的80%,建筑的顶层不包括在内,其他楼层水平收缩值应该超过下一相邻楼层水平收缩值的25%;2)竖向抗侧力结构构件不连续,确定是否为该种类型的标准如下:利用水平转换构件作为桥梁,使得竖直方向上一些抗侧力结构本身内力向下传递;3)楼层承载力突变,对于这种类型的不规则建筑,其各个楼层中抗侧力结构构件受到的剪切程度低于上一相邻楼层对应值的80%。2.2平面不规则。毫无疑问如果平面质量存在偏心问题,必然会对建筑平面不规则造成一定的影响,建筑中所使用的结构构件其截面尺寸如果存在差异会引起质量偏心问题,另外,在施工过程中以及建筑使用过程中同样有可能引起质量偏心问题;再就是平面刚度如果存在偏心同样会影响到建筑平面不规则性,平面刚度又可以细分为平面外刚度以及平面内刚度,所谓平面内刚度指的是和载荷作用方向相同的刚度,相反地,和载荷作用方向相反的刚度称之为平面外刚度。在建筑施工的过程中,受到施工条件以及周围施工环境的影响,此外,不同结构构件承担的载荷一般也存在差异,这些因素的存在造成平面结构刚度不均匀,造成偏心问题;最后就是平面强度,如果存在偏心也会影响到建筑平面不规则性,通常情况下,不管是设计人员还是施工人员都只注重平面刚度偏心问题以及平面质量偏心问题,而强度偏心问题却经常被忽视。在建筑施工过程中,不管是钢筋还是混凝土都存在选择不确定性,这必然会导致建筑结构的设计强度和实际施工强度之间不完全一致,使得结构构件截面存在不同程度的强度偏心,最终对结构的不规则性产生影响。

3加强不规则设计合理性方法以及实践

3.1降低建筑结构偏心距。上文中已经阐述,建筑结构如果存在偏心距会在一定成程度上影响高层建筑的质量,所以,在设计的时候就应该尽可能的降低建筑结构偏心距,从源头上消除不利因素,以此来保证整个建筑的安全稳定。通常情况下,为使得建筑结构中的扭转效应得到有效的改善,最好的措施就是对建筑的整体布局进行合理调整,尽可能降低楼层的位移比,减小质心和刚心之间的距离,可以有效提升建筑的稳定性。具体降低偏心距的措施有:首先计算分析建筑结构,在此基础上适当的调整建筑结构中的不规则平面布局,然后再对调整后的建筑机构进行计算分析,对其进行准确验算,保证所得数据万无一失。建筑的质心和刚心可以通过上述的计算来确定,此外,通过计算能够详细且准确的掌握建筑结构刚度分布状况,在此基础上再对抗侧力结构构件作出适当调整,进一步提升高层建筑的稳定性。3.2合理调整抗侧强度以及扭曲刚度。根据有关的研究以及调查可以知道,高层建筑结构其自我振动周期平方值和建筑结构的扭转效应存在紧密联系。根据上述理论,为了降低高层建筑结构的扭转效应,可以从建筑结构的振动周期入手,通过对振动周期的调整来削弱扭转效应。在设计剪力墙的时候,特别是和结构刚度中心距离较远的墙体,设计人员应该科学合理的调整墙体厚度和长度。具体而言,可以在结构边缘装设梁、柱等,通过这样的措施使得结构抗扭强度得以改变,从而减小其振动周期。另外,还可以改变边缘连梁刚度数值来调整扭曲刚度,理论上说提升连梁抗剪承受力能够在一定程度上优化结构性能,具体而言就是适当增加剪力墙连梁截面宽度。采取该种措施还能够在一定程度上提升剪力墙连梁结构整体刚度,可以使得建筑结构的稳定性得到有效保障,所以相关设计人员针对该方面进行设计的时候可以借鉴。3.3提升不规则结构周边抗扭构件抗剪力。在地震双向水平作用条件下,高层建筑的整体结构会发生一定程度的变形,如果该变形尚且处于弹性时期,那么还能够恢复正常,建筑的整体形状不会出现改变,但是如果该变形进入了非弹性时期,那么该部分变形将无法恢复,也就是说建筑的整体形状发生了改变,这必将引起偏心问题。因此,为了保证建筑在地震情况下部出现偏心问题,相关设计人员在设计的时候应该综合考虑建筑抗震规范以及建筑抗震性能等问题,适当的提升不规则结构周边抗扭构件抗剪力,以确保地震作用下建筑部出现形状改变,使得不规则建筑的整体刚度得以强化。3.4建筑不规则设计实例。该建筑其设计可谓是另辟蹊径,就设计而言,不管是在重力结构还是在高度上面临的挑战都非常大。该建筑的空间形态好像2个“Z”字进行缠绕交叉,为三维环形形态。不可否认的是CCTV总部大楼是建筑不规则设计的典型,向人们很好的展现了不规则结构的魅力以及我国不规则设计技术水平。相对于传统建筑而言,该建筑的成功建设无疑是一次很大的突破,对传统建筑风格进行了非常大的创新,并且将很多时代元素融入其中,具有非常重要的现实意义。

4结语

由于多方面因素的影响,不可避免地需要对建筑结构实施不规则设计。因此为了确保高层建筑的质量,相关的设计人员必须对结构不规则性问题进行深入分析,在此基础上制定出科学合理的设计方案,从根本上确保建筑不规则设计的科学性和合理性。

参考文献:

[1]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.

[2]何礼达.论不规则性在高层建筑结构设计中的运用[J].河南科技,2010(14):30.

[3]李显.关于高层建筑结构设计不规则性的实践分析[J].建筑工程技术与设计,2015.

作者:张海涛 单位:甘肃省建筑设计研究院有限公司

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