高层建筑结构设计中不规则问题与抗震措施分析

【摘要】城市规模持续扩张，建筑行业正经历着深刻变革，为充分利用有限空间并满足多元功能需求，高层建筑数量不断增长。与此同时，建筑美学的创新追求促使不规则结构大量涌现，塑造别具一格的建筑形态，成为高层建筑设计中许多设计的目标。然而，这类结构的不规则特性给抗震性能带来了巨大的挑战。本文以此展开研究，通过系统分析，明确平面不规则与竖向不规则类型特征及对结构抗震性能的影响机制，揭示地震作用下不规则结构内力分布异常、变形集中导致抗震薄弱部位形成的规律。进而确立概念设计优先、多道防线及加强关键部位设计原则，提出结构体系优化、抗震计算精确化、构造措施强化等方法，这些措施能有效提升不规则结构抗震性能。但由于建筑形式日趋复杂，未来还应该着力于研发精准地震响应分析模型，加强罕遇地震下破坏机制研究，为不规则高层建筑抗震设计提供更坚实的支撑。

【关键词】高层建筑；建筑结构设计；不规则问题；抗震措施

【引言】在城市化进程加速的过程中，土地资源愈发紧张，高层建筑在城市建设中占据了越来越重要的地位。为满足人们对建筑功能和美学的多样化需求，不规则结构在高层建筑设计中被广泛应用。这些不规则结构打破了传统建筑的对称与规则，赋予建筑独特的外观和空间布局，许多的不规则建筑不仅成为城市的新名片，还为城市增添了独特的景观。但是不规则结构建筑在设计中也面临很多的挑战，结构的不规则性会让建筑在受力时出现各种复杂的应力分布以及变形模式，这样结构的建筑在薄弱部分很可能因为地震等自然灾害的作用力遭受严重的破坏。所以，研究高层结构在设计过程中遇到的一些不规则问题及其相应的抗震对策是非常重要的。对其进行高效的抗震设计，可显著提升其抗震安全水平，降低生命和财产损失。建筑物是人类工作、生活的重要场所，如何保证建筑物的抗震性能，对于保证人们的生命和财产的安全具有重要意义。此外还有助于丰富和完善高层建筑结构设计的原理和方法。本研究能将不规则结构的设计变得更科学、合理，还能推动建筑结构设计技术的不断创新和发展，更是提高整个建筑行业技术水平的参考依据。

1高层建筑结构不规则的类型与特点

1.1平面不规则

扭转不规则指的是在规定水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍。这种不规则情况会导致结构在地震作用下产生较大的扭转效应，使得远离结构刚度中心的构件承受更大的内力。例如，某高层建筑由于建筑功能需求，平面布置不对称，在地震模拟中，结构的扭转效应明显，部分边缘构件出现严重的应力集中，容易率先破坏，进而影响整个结构的稳定性。​

凹凸不规则表现为建筑平面凹进的尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%。当结构存在凹凸不规则时，会造成结构刚度分布不均匀，在凹进部位形成应力集中区域。像一些L形、T形平面的建筑，在凹角处往往容易产生较大的内力，地震发生时，这些部位更容易出现裂缝甚至破坏，降低了结构的抗震能力。​

楼板局部不规则常见于开大洞、错层等情况。若楼板开洞尺寸过大，超过该层楼板面积的30%，或者存在较大的错层，就会严重削弱楼板的传力性能，破坏结构的整体性。在地震作用下，楼板无法有效地将水平力传递给竖向构件，导致结构各部分的协同工作能力下降，各构件受力不均匀，增加了结构倒塌的风险。

1.2竖向不规则

侧向刚度不规则通常指的是某楼层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%。这种刚度突变会在结构中形成薄弱层，地震作用下，薄弱层的变形会显著增大。以某高层住宅为例，由于底部商业空间的需求，底部楼层柱网较大，侧向刚度相对上部住宅层明显减小，在地震模拟中，底部楼层出现了较大的层间位移，成为结构抗震的薄弱环节，容易发生破坏。​

竖向抗侧力构件不连续表现为结构的竖向抗侧力构件（如柱、剪力墙等）在某一层中断，无法连续贯通。这种情况改变了结构的传力路径，使得竖向力不能直接地传递到基础，导致构件内力重分布。例如，当某一层的柱子取消，通过转换梁来承托上部结构时，转换梁及其相连的构件会承受较大的内力，在地震中这些部位极易受损，严重威胁结构安全。

楼层承载力突变是指楼层抗侧力结构的承载力小于相邻上一楼层的80%。当地震来袭，楼层承载力不足的楼层容易率先屈服破坏，破坏会沿着结构竖向向上或向下发展，引发连锁反应，严重影响结构的整体稳定性。比如在一些高层建筑中，由于建筑功能的变化，某一层的柱子截面减小或混凝土强度降低，导致该层承载力突变，在地震作用下，该楼层成为结构破坏的起始点，进而影响整个建筑的抗震性能。

2不规则结构对高层建筑抗震性能的影响机制

2.1地震作用下的结构响应

2.11结构内力分布异常​

在地震作用下，不规则高层建筑结构的内力分布会出现显著异常。地震产生的地面运动具有复杂性和随机性，会对结构施加水平和竖向的动态作用力。对于规则结构，其内力分布相对较为均匀，各构件能协同工作共同抵御地震作用。但对于不规则结构，各构件则难以很好的协同工作，共同抵御地震作用。

以平面不规则的扭转不规则结构为例，由于结构质心与刚心不重合，在地震水平力作用下，会产生扭转力矩。远离刚度中心的构件不仅要承受因平移产生的内力，还要承受因扭转而附加的内力，导致这些构件的内力大幅增加。比如某不规则高层建筑，在地震模拟中，边缘处的柱子内力比结构中心区域的柱子内力高出数倍，应力集中现象极为明显。这种内力分布异常会使部分构件过早进入屈服状态，削弱结构整体承载能力，甚至引发结构局部破坏，进而影响整个结构的稳定性。​

2.12变形特征改变​

不规则结构在地震作用下的变形特征与规则结构有着本质区别。规则结构在地震时，其变形模式较为均匀且可预测，各楼层的层间位移相对均衡。然而，不规则结构由于刚度、质量分布不均匀，会导致变形集中在某些特定部位。例如，竖向不规则结构中存在侧向刚度不规则时，在刚度突变的楼层，即软弱层，会产生较大的层间位移。像底部大空间的高层建筑，底部楼层侧向刚度小，地震时底部楼层的层间位移明显大于上部楼层，形成所谓的“软所层”现象。这种变形集中会使薄弱层的构件承受过大的变形，容易导致构件破坏，如柱子出现弯曲裂缝甚至断裂，墙体出现大面积开裂等。一旦薄弱层的构件破坏，结构的传力路径会发生改变，进一步加剧结构的变形，严重时可能引发结构的整体倒塌。

2.2抗震薄弱部位的形成

2.21平面不规则导致的薄弱部位​

平面不规则是造成高层建筑抗震薄弱部位的重要因素之一。当结构存在扭转不规则时，结构的角部往往成为抗震薄弱部位。由于扭转效应，角部构件同时承受较大的平移和扭转产生的内力，受力情况极为复杂。在地震作用下，角部构件更容易出现应力集中，导致构件过早破坏。例如，在一些平面呈矩形但不对称布置的高层建筑中，角部的柱子和墙体在地震模拟中最先出现裂缝。对于凹凸不规则的结构，凹进部位是明显的薄弱区域。因为凹进处的刚度变化较大，地震力在此处会发生集聚，使得凹进部位的构件承受更大的内力。以L形平面建筑为例，凹角处的楼板和竖向构件在地震中承受的应力远高于其他部位，容易出现裂缝和破坏，影响结构的整体抗震性能。楼板局部不规则时，开大洞周边的楼板和与错层相连的构件成为薄弱部位。大洞周边的楼板因有效截面减小，传力能力下降，在地震作用下容易发生局部破坏；错层处的构件由于受力复杂，也容易因应力集中而受损。​

2.22竖向不规则引发的薄弱层​

竖向不规则会在高层建筑中引发薄弱层，对结构抗震极为不利。当结构存在侧向刚度不规则时，侧向刚度突变的楼层即为薄弱层。如底部商业顶部住宅的高层建筑，底部楼层因柱网大、空间开阔，侧向刚度远小于上部住宅楼层，地震时，底层结构的变形明显增加，成为结构整体最脆弱的部位。在竖向抗弯构件出现间断的情况下，结构发生破坏的楼层即为薄弱层。比如，在高层建筑中，转换层的竖向传力途径发生变化，需要将上部结构的竖向力通过水平转换构件传递给下部各层的竖向构件，从而使转换层及邻近楼层成为结构的薄弱环节，极易遭受震害。同时，由于楼层受剪承载力的突变，当其承受能力低于上一层80%时，将首先发生屈服和破坏，从而触发整体结构的竖向失效。像某些高层建筑在某一层因建筑功能改变，柱子截面减小或混凝土强度降低，使得该楼层承载力突变，成为结构抗震的薄弱层，一旦遭遇地震，该楼层容易率先受损，影响结构整体安全。

3高层建筑不规则结构抗震设计原则

3.1概念设计优先原则​

概念设计在不规则结构抗震设计中起着提纲挈领的作用。设计开始前，要站在整体布局的角度，使结构体系尽量简洁、规则且传力路径明确。例如，在平面布置上，应合理规划建筑形状，避免过于复杂的凹凸和扭转，降低质心与刚心的偏心距。对于竖向设计，要确保结构刚度、承载能力沿竖向渐变，不会突变。底部商业空间与上部住宅结合的建筑，可通过合理设置转换层，平缓过渡结构受力，避免出现竖向抗侧力构件不连续导致的传力紊乱。遵循这一原则，能让结构在面对地震时，各构件协同工作，有效分散地震地能量，提高整体抗震性能，减少薄弱部位出现的可能性，还有助于简化结构计算模型，使设计人员对结构抗震性能的把控更加精准。​

3.2多道防线设计原则​

多道防线设计是提升不规则结构抗震安全性的关键策略。其核心在于构建由多个相对独立又协同工作的抗侧力体系组成的结构。以框架-剪力墙结构为例，在地震作用下，剪力墙可率先承担大部分水平力，作为第一道防线，消耗大量地震能量；随着地震作用持续，框架结构逐步发挥作用，成为第二道防线，维持结构稳定。这样即便某一道防线的构件出现损伤甚至失效，其他防线仍能继续抵抗地震力，为人员疏散和结构修复争取时间。对于不规则结构，因存在较多薄弱环节，多道防线设计尤为重要。通过合理设置不同类型的抗侧力构件，如支撑、耗能阻尼器等，可形成多层次的耗能机制，大大提高结构在地震中的生存能力。​

3.3加强关键部位设计原则​

不规则结构会出现很多抗震薄弱部位，加强这些关键部位的设计是保障结构安全的重点。在平面不规则结构中，角部、凹进部位等因受力复杂很容易成为薄弱点，设计时要加大这些部位构件的截面尺寸、增加配筋量，提高其承载能力和延性。例如，在角部柱子设计中，可采用加大截面、配置螺旋箍筋等方式，增强其抗扭和抗弯能力。对于竖向不规则结构的薄弱层，除对构件进行加强外，还要增加耗能地支撑点、提高混凝土强度等级等，才能提升薄弱层整体的抗震性能。

4高层建筑不规则结构抗震方法与措施

4.1结构体系优化法​

优化结构体系是提升不规则结构抗震性能的基础。对于平面不规则结构，合理布置抗侧力构件可以提升机构的抗扭刚度，减小扭转效应，比如针对扭转不规则的结构，在结构的边缘位置，尤其是远离质心的位置增加剪力墙或支撑。因为这些位置在扭转时位移较大，增设抗侧力构件能够增大结构的抗扭刚度，减小扭转效应，让结构在地震作用下受力更加均匀。对于竖向不规则结构，底部大空间的高层建筑，可采用巨型框架结构或设置加强层，设置加强层也是常用手段，在刚度突变的楼层设置刚性伸臂桁架或腰桁架，采用“核心筒”和“外侧框架”相结合的方式，在提高其整体工作性能的同时极大地提高了底部楼层的抗侧刚度，并有效地减轻了竖向不均匀对结构的不利影响。通过这种结构体系的优化，可使结构在地震作用下传力路径更合理，从而提高整体抗震性能。

4.2抗震计算精确化法​

精确的抗震计算是不规则结构抗震设计的关键。在计算方法选择上，要摒弃简单的底部剪力法，优先采用振型分解反应谱法，全面考虑结构的动力特性与地震动力特性的关系。对于复杂的不规则结构，还需要结合时程分析法进行补充计算，输入多条不同特性的地震波，模拟结构在真实地震中的响应。例如，超限高层不规则建筑，通过时程分析能够发现建筑在特定地震波作用下的薄弱部位，根据这个计算结果就可以对结构设计进行优化调整。同时，利用先进的有限元分析软件，可以准确地模拟结构的受力和变形情况，为设计提供更可靠的依据，确保结构在地震作用下的安全性达到最佳效果。​

4.3构造措施强化法​

强化构造措施是保障不规则结构抗震安全的重要手段。在平面不规则结构中，角部、凹进部位以及楼板开洞周边的构件受力复杂，是抗震的薄弱环节。以角部构件为例，由于同时承受较大的平移和扭转内力，在设计时需要加大构件的截面尺寸。同时，增加配筋量，采用高强度钢筋并合理配置箍筋，如使用螺旋箍筋，增强构件的约束，提高其延性，使其在地震作用下能承受更大的变形而不发生脆性破坏。对于竖向不规则结构的薄弱层，柱子全高加密，提高柱子的延性，并在转换层等关键部位，采用型钢混凝土等抗震性能良好的结构构件，提升构件的承载能力和抗震性能。此外，还要加强结构节点的连接构造，确保节点在地震作用下的可靠性，防止节点破坏引发结构整体性丧失，从而有效提升不规则结构的抗震能力。

5结语

本文主要针对高层建筑在设计过程中遇到的一些不规则问题和抗震措施进行了较为深入的研究。通过详细分析平面不规则与竖向不规则的种类和特征，明确表现出扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不规则，以及侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变等不规则现象对结构的抗震性能产生的重要影响。在地震作用下，这些不规则因素致使结构内力分布异常、变形集中，形成诸多抗震薄弱部位，严重威胁建筑结构安全。在抗震设计与措施领域，确立了概念设计优先、多道防线及加强关键部位设计等原则，提出结构体系优化、抗震计算精确化、构造措施强化等方法。这些方法能够显著提升不规则结构的抗震性能，从而保障建筑在地震中的安全。但是随着建筑行业的发展，建筑形式愈发复杂多样，未来可以研发更精准的不规则结构地震响应分析模型，以更贴合实际地模拟结构在地震中的力学响应；还要深入探究新型抗震材料与技术在不规则结构中的应用，从而挖掘提升结构抗震性能的潜力。

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