關於高層建築的結構不規則性與扭轉效應

對高層建築結構進行設計的過程中，必須重視其平面佈置的規則性。一旦高層建築平面設計不規則，將會造成安全事故的產生，這主要是因爲一旦結構不規則，其平面質量中心和剛度中心將無法集中在一點，最終結構將會產生扭轉現象。更爲嚴重的情況下，將直接破壞結構的穩定性。所以，對此課題進行研究具有較強的現實意義。

1 基於平面不規則性的高層建築結構設計特點

(1) 在高層建築結構設計中，水平力是其中重要的影響因素。一般在對多層建築進行結構設計時，必須將結構豎向荷載因素放在首要位置分析。相關資料顯示結構自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，與建築高度的一次方成正比; 然而，水平荷載對結構造產生的影響是十分不同的，其主要是與建築結構高度的兩次方成正比。換個角度思考，如果建築物的高度達到要求，則豎向荷載將會變成一個定值。相對於作爲水平荷載的風荷載和地震作用，它的數值變化較爲特殊，其主要隨着結構動力特性的變化。

(2) 降低高層建築自身的重量。在具體的施工過程中，減輕高層建築自重顯得尤爲重要。依據筆者的工作經驗，得出一個結論: 地震效應與建築的重量成正比。根據以上關係，可以發現降低房屋自重是提高結構性能的最佳途徑。如果增大高層建築的重量，那麼其結構承受的地震剪力將會越大，地震作用傾覆力矩越大。與此相對應，最終將導致附加彎矩加大，降低高層建築的使用性能。

(3) 作爲一個重要的控制指標，側移與建築物的高度是有一定關係的。隨着高層建築的興起，結構側移日益成爲影響高層結構設計的重要內容。除此之外，由於建築物的高度在增加，導致新的建築形式和結構體系不斷涌現，一段時間後側向位移將會明顯增大。綜合以上因素分析，在設計結構時，必須重視抗推剛度因素。

2 高層建築結構不規則性有關的問題

2． 1 高層建築結構的對稱性及均勻性的體現

(1) 在實際操作中可以發現，高層建築主體抗側力結構沿兩個主軸方向的剛度幾乎接近一致，並且它的變形特性十分相同。在具體的設計過程中，由於高層建築結構大多爲三緯空間，所以導致其地震、風荷載的方向比較隨意; 實踐證明，只有兩個主軸方向的剛度相對較好，抗震抗風的效果比較優越。

(2) 這集中體現在高層建築主體抗側力結構沿豎向斷面構成變化方面，必須防止其產生突變。簡單地說，即保持其主體結構剪切剛度的穩定性。採用這種高層建築，可以防止薄弱層受到損害，進而影響到整體結構的完整性，特別是對於強震區的一些建築物而言。

(3) 在對高層建築主體抗側力結構進行設計時，必須保持同一主體方向的剛度均勻，防止其主體結構出現某一、二片剛度較大的情況，對結構延性造成不利影響。滿足以上要求，則可以使水平荷載作用下的應力分佈相對合理，實現高層建築結構不規則抗震延性的目標。

(4) 此過程中有一點必須引起足夠重視，即中央核心與周邊結構的剛度的協調能力，這對於主體結構的抗扭剛度有着直接關係。

2． 2 荷載的傳力直接

垂直荷載的定義容易被理解，它是一種活荷載，產生於建築物本身和它的樓層、屋面。這是建築結構中最爲基本的一種荷載力，它對建築物的作用時間長。通常在建築物結構中，垂直荷載的傳力主要是指樓屋蓋樑板垂直荷載的受力點、線、通過樓屋面板、樑將垂直荷載傳遞到豎向構件牆、柱，最終由牆柱逐層傳遞到基礎。一般而言，風荷載是常見高層建築結構中必不可少的水平荷載。另外，高層建築結構不能超過風震加速度的最大額度，這是爲了避免造成建築物的振動過大，直接影響到其使用效果。

2． 3 結構的合理剛度

(1) 樓屋蓋結構的合理剛度。這個概念的理論性較強，在生活中的要求爲使樓屋蓋樑板斷面尺寸的選擇和佈置滿足要求。一旦樓屋蓋結構的剛度不符合要求，那麼將造成樑板發生變形，對建築物的美觀造成影響。情況相對嚴重的，其裝修、填充牆、門窗也會受到不同程度的損壞; 一旦樓屋蓋結構的剛度超出範圍，將會增加高層建築物結構自重。這樣一來，建築的成本就大大地上升了。

(2) 主體抗側力結構的合理剛度。它是整個高層建築結構設計的一個重要參數。根據實踐經驗總結，主體抗側力結構的剛度必須符合幾個標準，比如水平位移、整體剛度等。只有這樣，才能確保高層建築結構的實效性。最後，值得指出的'一點是，這個數值不宜太大，過大的剛度對結構有着不利的影響。

3 關於扭轉效應產生的原因分析以及控制

3． 1 扭轉效應產生的原因分析

(1) 外界因素。地震波通過地面時的運動是一個複雜的過程，這主要是因爲它各點的週期和相位存在較大差異。地面質點間運動是不相同的，所以能夠使地面的每一部分在產生平動分量的同時，也產生轉動分量。這種轉動分量將會導致結構出現扭轉振動和扭轉效應，與結構的對稱性沒有直接關係。

(2) 建築結構本身的因素。對建築物結構進行抗震分析時，普通的工程是把這個結構視爲一個平面模型，對其主軸方向分別計算。某種意義上說，它的分析方法是具有一定的侷限性，一般是針對質量中心和剛度中心相重合的建築結構結構而言的。然而，相反的情況下，採用平面模型的方法就無法適應實際需求。究其原因，可以發現地震時，質量中心的慣性力將對剛度中心產生扭轉力矩，使得建築結構產生扭轉耦聯的空間振動。

3． 2 關於扭轉效應的控制

總而言之，對於高層建築平面不規則結構設計而言，其有關扭轉不規則的條款和控制指標爲位移比和週期比。同時，偶然偏心距也是影響結構設計的一個重要部分。在控制週期比時，必須觀察建築的自身性能，進行這項工作的主要目的是爲使結構的抗扭剛度符合有關標準。

而位移比的規定則是與前者存在較大差別，它是通過另一個側面來反映結構的規則性、對稱性，以及質量剛度能否符合規定。在一些制度中，採用這兩個指標的重要原因是結構的剛心和質心位置無法直接通過定量計算得出。此過程中，可以明確地指出一個問題: 僅僅只從位移比來判斷結構爲扭轉規則或扭轉不規則的方法不夠科學。

4 結語

隨着城市建設的發展，高層建築越來越多，不規則平面高層建築結構日新月異，如何加強此類建築的抗震設計和穩定性設計是需要重點考慮的內容，爲此，上文就不規則性高層建築結構設計的相關內容進行了探析，以此提高此類建築的安全性。