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高層建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則設(shè)計(jì)分析論文
【摘要】不規(guī)則設(shè)計(jì)能夠提升建筑的美觀，但是不會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生顯著的影響，具體表現(xiàn)為不規(guī)則以及不連續(xù)問題。對(duì)于這方面的問題如果不進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，就會(huì)對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成威脅，從而埋下重大的安全隱患。本文針對(duì)高層建筑不規(guī)則性的概念進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)的兩種主要類型，最后具體闡述了加強(qiáng)不規(guī)則設(shè)計(jì)的有效以及具體實(shí)踐問題。
【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；不規(guī)則性
最近幾年以來，我國在不斷的推進(jìn)城市化進(jìn)程，使得對(duì)于建筑用地的需求量在迅速增加，城市用地出現(xiàn)緊張局面，為了使得該問題得到一定程度的緩解，越來越多的高層建筑拔地而起，進(jìn)入人們的視線[1]。但是，由于多方面因素的影響，比如人的審美觀點(diǎn)、外部環(huán)境因素以及建筑所處位置的地質(zhì)因素等，不可避免的需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)施不規(guī)則設(shè)計(jì)[2]。對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，其不規(guī)則性不但表現(xiàn)在建筑的對(duì)稱不規(guī)則方面，還表現(xiàn)在建筑平面的凹凸不規(guī)則方面。雖然不規(guī)則設(shè)計(jì)能夠提升建筑的美觀，但是不規(guī)則設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生顯著的影響，具體表現(xiàn)為不規(guī)則以及不連續(xù)問題。對(duì)于這方面的問題如果不進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，就會(huì)對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成威脅，從而埋下重大的安全隱患[3]。因此為了確保高層建筑的質(zhì)量，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員必須對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則性問題進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上制定出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案。
1高層建筑不規(guī)則性含義及其特點(diǎn)
早在2012年的時(shí)候，我國就對(duì)高層建筑做出了明確定義：高度超過27m的住宅建筑或者是其它高度超過24m的非單層建筑都稱之為高層建筑。不管是從全方位造型上還是在建筑的形象上，不規(guī)則性和對(duì)稱規(guī)則的高層建筑之間都存在較大的差異。由于外部不可抗拒因素的影響，比如施工條件、周圍環(huán)境、以及設(shè)計(jì)因素等，通常情況下建筑體很難做到絕對(duì)規(guī)則或者對(duì)稱，出現(xiàn)不對(duì)稱或者不規(guī)則才是正常現(xiàn)象。建筑物不規(guī)則性的表現(xiàn)形式有很多，概括起來有下面幾點(diǎn)：在豎直方向上建筑物的剛度出現(xiàn)上不連續(xù)現(xiàn)象、建筑物局部樓板出現(xiàn)不連續(xù)想象、平面設(shè)計(jì)出現(xiàn)不規(guī)則現(xiàn)象。眾所周知，和規(guī)則性高層建筑相比較而言不規(guī)則性高層建筑對(duì)于建筑本身的要求會(huì)更高，比如主題結(jié)構(gòu)、電氣配線分區(qū)、設(shè)備管線、材料抗壓變形以及內(nèi)部用料等，上述各方面對(duì)于外部因素變化造成的影響應(yīng)該有更好的適應(yīng)性。在具體操作的過程當(dāng)中，首先應(yīng)該對(duì)建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則的位置進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，只有這樣才可以有針對(duì)性的制定建筑結(jié)構(gòu)方案，從而確保整個(gè)建筑的安全性以及穩(wěn)定性。通常請(qǐng)況下，不規(guī)則建筑會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)在水平方向上出現(xiàn)偏心側(cè)力，該力的作用下使得建筑材料出現(xiàn)不同程度的扭轉(zhuǎn)變形。從上述的分析可以知道，為確保高層建筑具備足夠的抗側(cè)力，其施工成本必然會(huì)比普通建筑高很多。另外一方面，對(duì)高層建筑進(jìn)行不規(guī)則性設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)建筑的位移比的控制以及結(jié)構(gòu)布局等產(chǎn)生重大影響，所以，在設(shè)計(jì)高層建筑的過程中，必須綜合分析考慮有可能會(huì)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響的所有因素。如圖1所示為阿爾哈姆拉大廈，在科威特首都科威特城，該建筑完工于2009，是典型的不規(guī)則高層建筑，具有重要的代表性。
2建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)種類
2.1豎向不規(guī)則。1）側(cè)向剛度不規(guī)則，確定是否為該種類型的標(biāo)準(zhǔn)如下：和上層相鄰樓層相比，某樓層其側(cè)向剛度數(shù)值低于前者的70%，或者是和上面三層的平均側(cè)向剛度相比，低于前者的80%，建筑的頂層不包括在內(nèi)，其他樓層水平收縮值應(yīng)該超過下一相鄰樓層水平收縮值的25%；2）豎向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件不連續(xù)，確定是否為該種類型的標(biāo)準(zhǔn)如下：利用水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件作為橋梁，使得豎直方向上一些抗側(cè)力結(jié)構(gòu)本身內(nèi)力向下傳遞；3）樓層承載力突變，對(duì)于這種類型的不規(guī)則建筑，其各個(gè)樓層中抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到的剪切程度低于上一相鄰樓層對(duì)應(yīng)值的80%。2.2平面不規(guī)則。毫無疑問如果平面質(zhì)量存在偏心問題，必然會(huì)對(duì)建筑平面不規(guī)則造成一定的影響，建筑中所使用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件其截面尺寸如果存在差異會(huì)引起質(zhì)量偏心問題，另外，在施工過程中以及建筑使用過程中同樣有可能引起質(zhì)量偏心問題；再就是平面剛度如果存在偏心同樣會(huì)影響到建筑平面不規(guī)則性，平面剛度又可以細(xì)分為平面外剛度以及平面內(nèi)剛度，所謂平面內(nèi)剛度指的是和載荷作用方向相同的剛度，相反地，和載荷作用方向相反的剛度稱之為平面外剛度。在建筑施工的過程中，受到施工條件以及周圍施工環(huán)境的影響，此外，不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件承擔(dān)的載荷一般也存在差異，這些因素的存在造成平面結(jié)構(gòu)剛度不均勻，造成偏心問題；最后就是平面強(qiáng)度，如果存在偏心也會(huì)影響到建筑平面不規(guī)則性，通常情況下，不管是設(shè)計(jì)人員還是施工人員都只注重平面剛度偏心問題以及平面質(zhì)量偏心問題，而強(qiáng)度偏心問題卻經(jīng)常被忽視。在建筑施工過程中，不管是鋼筋還是混凝土都存在選擇不確定性，這必然會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和實(shí)際施工強(qiáng)度之間不完全一致，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面存在不同程度的強(qiáng)度偏心，最終對(duì)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性產(chǎn)生影響。
3加強(qiáng)不規(guī)則設(shè)計(jì)合理性方法以及實(shí)踐
3.1降低建筑結(jié)構(gòu)偏心距。上文中已經(jīng)闡述，建筑結(jié)構(gòu)如果存在偏心距會(huì)在一定成程度上影響高層建筑的質(zhì)量，所以，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就應(yīng)該盡可能的降低建筑結(jié)構(gòu)偏心距，從源頭上消除不利因素，以此來保證整個(gè)建筑的安全穩(wěn)定。通常情況下，為使得建筑結(jié)構(gòu)中的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)得到有效的改善，最好的措施就是對(duì)建筑的整體布局進(jìn)行合理調(diào)整，盡可能降低樓層的位移比，減小質(zhì)心和剛心之間的距離，可以有效提升建筑的穩(wěn)定性。具體降低偏心距的措施有：首先計(jì)算分析建筑結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)恼{(diào)整建筑結(jié)構(gòu)中的不規(guī)則平面布局，然后再對(duì)調(diào)整后的建筑機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)算，保證所得數(shù)據(jù)萬無一失。建筑的質(zhì)心和剛心可以通過上述的計(jì)算來確定，此外，通過計(jì)算能夠詳細(xì)且準(zhǔn)確的掌握建筑結(jié)構(gòu)剛度分布狀況，在此基礎(chǔ)上再對(duì)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件作出適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)一步提升高層建筑的穩(wěn)定性。3.2合理調(diào)整抗側(cè)強(qiáng)度以及扭曲剛度。根據(jù)有關(guān)的研究以及調(diào)查可以知道，高層建筑結(jié)構(gòu)其自我振動(dòng)周期平方值和建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)存在緊密聯(lián)系。根據(jù)上述理論，為了降低高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，可以從建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期入手，通過對(duì)振動(dòng)周期的調(diào)整來削弱扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在設(shè)計(jì)剪力墻的時(shí)候，特別是和結(jié)構(gòu)剛度中心距離較遠(yuǎn)的墻體，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該科學(xué)合理的調(diào)整墻體厚度和長度。具體而言，可以在結(jié)構(gòu)邊緣裝設(shè)梁、柱等，通過這樣的措施使得結(jié)構(gòu)抗扭強(qiáng)度得以改變，從而減小其振動(dòng)周期。另外，還可以改變邊緣連梁剛度數(shù)值來調(diào)整扭曲剛度，理論上說提升連梁抗剪承受力能夠在一定程度上優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能，具體而言就是適當(dāng)增加剪力墻連梁截面寬度。采取該種措施還能夠在一定程度上提升剪力墻連梁結(jié)構(gòu)整體剛度，可以使得建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到有效保障，所以相關(guān)設(shè)計(jì)人員針對(duì)該方面進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候可以借鑒。3.3提升不規(guī)則結(jié)構(gòu)周邊抗扭構(gòu)件抗剪力。在地震雙向水平作用條件下，高層建筑的整體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定程度的變形，如果該變形尚且處于彈性時(shí)期，那么還能夠恢復(fù)正常，建筑的整體形狀不會(huì)出現(xiàn)改變，但是如果該變形進(jìn)入了非彈性時(shí)期，那么該部分變形將無法恢復(fù)，也就是說建筑的整體形狀發(fā)生了改變，這必將引起偏心問題。因此，為了保證建筑在地震情況下部出現(xiàn)偏心問題，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該綜合考慮建筑抗震規(guī)范以及建筑抗震性能等問題，適當(dāng)?shù)奶嵘灰?guī)則結(jié)構(gòu)周邊抗扭構(gòu)件抗剪力，以確保地震作用下建筑部出現(xiàn)形狀改變，使得不規(guī)則建筑的整體剛度得以強(qiáng)化。3.4建筑不規(guī)則設(shè)計(jì)實(shí)例。該建筑其設(shè)計(jì)可謂是另辟蹊徑，就設(shè)計(jì)而言，不管是在重力結(jié)構(gòu)還是在高度上面臨的挑戰(zhàn)都非常大。該建筑的空間形態(tài)好像2個(gè)“Z”字進(jìn)行纏繞交叉，為三維環(huán)形形態(tài)。不可否認(rèn)的是CCTV總部大樓是建筑不規(guī)則設(shè)計(jì)的典型，向人們很好的展現(xiàn)了不規(guī)則結(jié)構(gòu)的魅力以及我國不規(guī)則設(shè)計(jì)技術(shù)水平。相對(duì)于傳統(tǒng)建筑而言，該建筑的成功建設(shè)無疑是一次很大的突破，對(duì)傳統(tǒng)建筑風(fēng)格進(jìn)行了非常大的創(chuàng)新，并且將很多時(shí)代元素融入其中，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
4結(jié)語
由于多方面因素的影響，不可避免地需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)施不規(guī)則設(shè)計(jì)。因此為了確保高層建筑的質(zhì)量，相關(guān)的設(shè)計(jì)人員必須對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則性問題進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上制定出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，從根本上確保建筑不規(guī)則設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。
參考文獻(xiàn)：
[1]曹軍.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中平面不規(guī)則問題的分析與抗震措施[J].中華建設(shè)，2012(12):172-173.
[2]何禮達(dá).論不規(guī)則性在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].河南科技，2010(14):30.
[3]李顯.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不規(guī)則性的實(shí)踐分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015.
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