关于平面不规则高层建筑结构设计要点分析

关于平面不规则高层建筑结构设计要点分析

杨海

广东弘德电力科技有限公司  邮编： 广东佛山 528200

摘要：在高层建筑设计中，结构的平面不规则性是常见的设计挑战之一。 随着全球都市化进程的加速，追求独特造型与地标感的高层建筑日益增多，其中不乏拥有复杂平面布局的标志性建筑设计。本文首先分析了平面不规则性的分类，并对平面不规则高层建筑结构荷载作用以及结构设计要点进行了探讨。

关键词：高层建筑；平面不规则；结构设计；抗震设计

近年来，越来越多城市致力于打造独一无二的天际线，平面不规则的高层建筑作为这一趋势的产物，成为关注焦点。高层建筑由于其高度和功能的特殊性，其结构设计必须考虑多种因素，如风荷载、地震作用、使用功能等。平面不规则性是指建筑平面在几何形状、刚度、质量分布或抗侧力系统等方面存在显著不对称性，这种不规则性会增加结构设计的复杂性，尤其是在抗震设计方面。因此深入分析平面不规则高层建筑的结构设计要点十分必要。

一、平面不规则性的分类

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），规范中将平面不规则性主要分为以下几类：第一类为平面凹凸不规则，主要是指建筑平面在水平方向上出现不规则的凹凸变化。这种不规则性可能导致地震力在结构中的分布不均匀，从而影响结构的整体抗震性能。第二类为平面扭转不规则，当建筑平面的刚度中心与质量中心不重合时，结构在地震作用下会产生扭转效应，这种扭转效应可能会导致某些部分承受更大的地震力，增加结构破坏的风险。第三类为线刚度突变不规则，在建筑平面中，如果某些部分的线刚度与相邻部分相比有较大的突变，也会被视为不规则，这种突变可能会导致地震力在结构中的传递路径发生改变，影响结构的抗震性能。除了上述几种情况外，还有一些其他类型的不规则性，例如楼板局部开大洞、楼板不连续等，这些不规则性同样可能对建筑结构的抗震性能产生不利影响。

二、平面不规则高层建筑结构荷载作用

1. 恒载

恒载是指在建筑物使用期间长期作用在结构上的固定荷载，包括结构自重、墙体、楼板、屋面、隔墙、固定设备等的重量，在设计平面不规则高层建筑时，恒载对结构的稳定性和安全性有着决定性的影响。由于平面不规则高层建筑的结构复杂，恒载的计算需要精确，以确保结构设计的准确性和可靠性。在设计过程中使用专业的计算软件或方法，对不同构件的恒载进行详细计算，并考虑材料的密度、构件尺寸等因素，以得到准确的荷载分布。

2. 活载

活载是指在建筑物使用期间，可能会变化或移动的荷载，例如家具、人员活动、设备等，活载的大小和分布会随时间变化，设计时需要考虑最不利情况下的活载分布。建筑的使用功能可能多样，不同区域的活载大小和分布可能有很大差异，设计时通常会根据建筑的使用功能和空间布局，采用相应的活载标准值，并考虑活载的组合效应，保证使用安全。

3. 风荷载

风荷载是指风对建筑物表面产生的压力和吸力，高层建筑的高度较大，风荷载对结构的影响尤为显著。在平面不规则高层建筑结构设计过程中需要根据建筑所在地的气候条件、建筑高度、形状和周围环境等因素，计算风荷载的大小和作用方向。风荷载的计算通常采用风洞试验或数值模拟方法，以得到准确的风压分布，还需考虑风荷载与其他荷载的组合效应，保证结构在风荷载作用下的稳定性和安全性。

4. 地震作用

地震作用是指地震发生时由于地面运动引起的惯性力对建筑物的作用，地震力可能会导致高屋建筑结构产生较大的位移和内力，甚至造成结构破坏。平面不规则高层建筑结构设计中根据建筑所在地的地震烈度、地质条件、建筑高度和结构形式等因素计算地震作用的大小和分布，采用反应谱法或动力分析方法以评估结构在地震作用下的响应。此外，考虑结构的抗震设计，包括合理的结构布局、足够的延性、有效的能量耗散机制等，以确保结构在地震作用下的安全性和功能性。

三、平面不规则高层建筑结构设计要点

1.结构整体稳定性

在进行平面不规则高层建筑结构设计时，要保证结构的整体稳定性，确保能够承受各种荷载，包括风荷载、地震荷载、活荷载以及温度变化引起的荷载。设计时采用如框架结构、剪力墙结构或框架－剪力墙结构等可以适应建筑平面的不规则性。在进行结构设计时还要充分考虑建筑的扭转效应，极端荷载作用下结构才不会发生过大的扭转导致破坏。结构的刚度和强度分布应均匀，避免出现薄弱层或薄弱区域，对于不规则的平面布局通过结构分析软件进行详细的动态时程分析和静力弹塑性分析，以评估结构在不同工况下的响应。最后，在设计中还应考虑结构的冗余度，部分构件失效时结构仍能保持稳定，避免发生连锁反应导致整体倒塌。通过这些措施可以保障平面不规则高层建筑在各种荷载作用下的整体稳定性。  

2. 结构抗侧力设计

在进行平面不规则高层建筑的结构抗侧力设计时，首先应识别结构的不规则类型，如扭转不规则、局部不规则等，并采取相应的设计措施，充分考虑地震作用下的扭转效应，确保结构具有足够的抗扭刚度和强度。对于局部不规则的结构特别注意加强局部区域的构件，避免在地震作用下发生局部破坏。结构抗侧力系统通常包括剪力墙、框架、核心筒等，设计时需合理布置这些抗侧力构件，以形成有效的抗侧力体系，剪力墙沿结构的主轴方向均匀布置，以保证结构的整体刚度和稳定性。框架结构则应通过设置足够的横向和纵向框架，以及加强节点和连接部位，来提高结构的整体性和延性。

3. 结构抗扭设计

在进行平面不规则高层建筑的结构抗扭设计时首先需要识别结构的扭转特性，包括扭转刚度、扭转周期和扭转位移等。由于平面不规则性，结构在水平荷载作用下可能会产生较大的扭转效应设计时确保结构具有足够的抗扭刚度，可以减少扭转引起的附加内力和位移。设计中应考虑结构的扭转与平动耦合效应，合理布置抗侧力构件，如剪力墙、框架柱等，以形成有效的抗扭体系。同时通过计算分析验证结构在地震作用下的扭转响应，确保结构在最不利情况下仍能保持稳定。设计中还要注意结构的质量分布，尽量避免质量中心与刚度中心的偏心，减少扭转效应。对于扭转敏感的结构采取适当的构造措施，如设置抗扭梁、核心筒等，以提高结构的整体抗扭能力。

4. 抗风抗震设计

精准力学分析与增强结构韧性 不规则外形使得风荷载与地震力分布异常，增加了局部应力集中的可能性。通过先进的仿真技术，如风洞实验与地震模拟，设计团队可以精确预估并优化建筑的反应，进而增强结构刚性，比如采用核心筒、剪力墙等元素，有效减缓扭转效应。

5. 结构层间位移控制

结构层间位移控制是影响 结构安全和使用功能的重要因素，在设计时应根据建筑所在地区的抗震设防要求，确定合理的层间位移限值，如框架－剪力墙结构、核心筒结构等以提高结构的整体刚度和稳定性，合理布置结构构件避免刚度突变，确保结构在地震作用下的均匀变形。设计过程中还要考虑非结构构件对层间位移的影响，如楼板、隔墙等，运用结构分析软件进行多遇地震和罕遇地震作用下的动力分析，评估结构在不同地震作用下的层间位移响应。最后，通过设置适当的结构构件和连接细节，如加强节点和构件的延性设计，来控制层间位移，在罕遇地震作用下仍能保持整体稳定，避免发生倒塌。

6. 结构构件设计

在进行平面不规则高层建筑结构设计时要保证构件尺寸合理，以满足承载力和使用功能的要求，构件的截面尺寸应根据计算确定，同时考虑施工的可行性和经济性。构件的材料选择也要符合设计规范和耐久性要求，通常使用钢筋混凝土或钢材，对于受力较大的构件，如柱、梁、剪力墙等进行详细的受力分析和配筋设计，确保各种荷载作用下的安全性和稳定性。对构件连接部位的设计需保证结构整体的协同工作能力，对于不规则结构还需特别注意扭转效应和偏心受力问题，采取相应的加强措施，如设置核心筒、加强楼板刚度等，提高结构的整体稳定性和抗侧力能力。

7.关键节点强化与细节处理

在平面不规则的高层建筑结构设计中，关键节点的强化是保证整体稳定性的基石。柱梁交汇点、楼板转角等位置由于独特的几何特性，容易成为应力集中的区域，加大了局部失效的可能性。为此必须采取针对性补强措施，如设置附加钢筋、优化截面尺寸或采用高性能材料，以增强这些部位的承载能力和抗变形能力，确保结构的可靠性和安全性。防水层的完善能够有效阻止水分渗透，避免钢结构腐蚀或混凝土劣化，而高质量的密封接缝则能保持结构密闭性，抵御外界环境因素的影响。通过精细化设计与高品质材料的应用，可显著提升不规则高层建筑的整体防护效果，确保结构在恶劣条件下的稳定性与完整性。

结语

综上所述，平面不规则高层建筑的结构设计是一项复杂而重要的工作，设计人员需充分考虑结构的不规则性对建筑性能的影响，并采取相应的设计策略和措施。通过合理的结构体系选择、精确的结构分析和有效的抗震设计，可以确保平面不规则高层建筑的安全性、经济性和可持续性。

参考文献：

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[2]胡昌德.平面不规则高层建筑结构设计分析[J].绿色环保建材,2020,(08):72-73

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