复杂建筑结构计算分析探讨

于忠龙

摘要：自20世纪80年代开始，特别是90年代及21世纪初，一批现代建筑以全新的面貌呈现在人们面前，随着建筑高度的不断增加、建筑功能的更加多元化、以及建筑造型美观的不断拓展，建筑体型越来越新颖别致，建筑师们设计出了许多体型复杂、内部空间多变的建筑，使得现代建筑结构也越来越复杂。这些复杂建筑的大量涌现，其结构一般都是不规则的，有些是特别不规则的，从而使结构设计遇到了更多难点，因此对结构工程师也提出了更多的要求。结构工程师们也发挥了自己的创造才能，为实现这些复杂建筑，从而陆续产生了许多能适应建筑师创新意识的多种复杂结构形式。

关键词：建筑结构；结构设计；结构计算

一、复杂建筑的结构体系

复杂建筑结构主要包括复杂高层建筑结构、大跨度空间结构和其它复杂建筑结构。这些结构可以采用钢筋混凝土结构、钢结构或者钢-混凝土混合结构。

复杂高层建筑结构可以分为带转换层高层建筑结构、带加强层高层建筑结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构、竖向收进和悬挑结构、平面不规则结构和其他两种或多种复杂性相结合的复杂结构。各种不同的复杂结构形式除了共同具有地震反应复杂之外，各自都还有着不同的受力特点。

带转换层的复杂高层建筑，由于竖向构件上下不连续，通过转换构件实现上下竖向构件的过渡，有些建筑通过转换构件实现建筑造型的收进和外挑，带转换层结构属于竖向刚度突变及竖向构件不连续的不规则体系。带转换层结构体系中转换构件以及和转换层关联的竖向构件受力复杂。

带加强层高层建筑结构，往往是框架一核心筒结构或巨型外框-内筒结构，根据需要在不同高度设置若干个加强层，以提高整体结构的侧向刚度。带加强层结构体系往往在加强层及附近楼层，由于结构刚度和内力均发生突变，内力相对复杂。

试验研究表明，平面规则的错层剪力墙结构使剪力墙形成错洞墙，结构竖向刚度不规则，对抗震不利，但对抗震性能的影响不是十分严重：平面布置不规则、扭转效应显著的错层剪力墙结构对抗震性能影响严重。错层框架或框架一剪力墙结构的抗震性能比错层剪力墙结构更差。竖向构件包括框架、剪力墙受力复杂。

二、复杂高层建筑结构关键计算技术

结合目前的技术水平，现实中可见的复杂高层建筑主要包括带加强层类、带转换层类、带错层类以及多塔楼类等。这些类型的建筑除了具有复杂高层建筑的共性之外，还具有自身的特性，所以，要想保证建筑结构设计的科学性，具体工作中就必须要将普遍性与特殊性结合起来。由于此类建筑的设计工作过于复杂，本文无法对每种类型都进行详细分析，故仅选取前两类进行探讨。

1、带加强层类

对于此类复杂高层建筑，在设计的时候，需格外重视以下几点。（1）采用三维空间法对位移以及整体内力进行计算。具体实践中针对整体结构展开计算时，必须要将水平伸臂构件纳入考虑，同时，将整体分析结果作为依据，把其中的变形与内力当作边界条件，最后还需重新分析伸臂加强层。

（2）以建筑功能及结构特点为依据，合理确定加强层数量及所处位置。在加强层数量为1时，建议将其位置定在0.6H处；在加强层数量为2时，建议将其位置定在0.5H以及顶层处；在加强层数量较多时，建议从顶层开始，按照由上至下的顺序和均匀原则进行布置。

（3）在能够实现的前提下，尽可能保证水平伸臂构件与核心筒实现贯通，并确保二者维持可靠连接。关于水平伸臂构件的位置，建议设计时将其定在核心筒的T点位置或转角位置，以防后者的墙体在应力作用下发生损坏。

（4）考虑到外围框架柱对结构有着较大影响，设计中应针对其压缩变形与温度变形都强于核心筒的特点，借助一定的措施加以控制，以减轻其与核心筒间出现的变形及非荷载因素导致的附加力，提高结构的安全性。

（5）出于增强建筑抗震性能的考虑，设计时应考虑增加加强层与邻层核心筒之间的配筋。关于这个位置的配筋率，建议以建筑抗震要求为依据来确定。在要求为一级抗震时，配筋率应≥0.5%；在要求为二级抗震时，配筋率则需≥0.45%；在要求为三级抗震、四级抗震或者非抗震时，配筋率则应≥0.4%。另外，设计时还需保证钢筋直径在12mm以上，间距在100mm以内。

（6）增加加强层与邻层楼盖的配筋，其中，楼板配筋建议实行双层双向。在具体设计时，应保证每层不同方向的钢筋都处于拉通状态，对于配筋率，一般要求≥0.35%，除了配筋率之外，砼强度等级也是这个环节中需要加以控制的部分，要求是控制在C30以上。

2、带转换层类

对于这种类型的复杂高层建筑，结构设计时一般需将以下三个方面作为重点。

首先，对刚度突变实施有效控制。通常而言，在转换层高于一层的时候，结构设计中应遵照规定，对其侧向刚度与其上层的侧向刚度比、等效侧向刚度比进行分别计算，并保证限制条件得到满足。仅就转换层而言，其上、下结构的等效刚度比（下文以K指代）计算中对剪切变形以及弯曲变形均进行过考虑，在K<1.3的时候，无论是刚度突变还是内力传递途径突变都不大，但是，在转换层不低于三层的时候，结构设计中应保证其本侧的侧向刚度其上层的侧向刚度比K≥60%。

其次，增强框支层构件承载性能，以防存在薄弱层。为了做到这一点，设计时应以框支柱数量为依据来确定剪力，一般要求在框支柱数量≤10根且框支层≥2层的情况下，应将剪力控制在基底剪力的2%以上，但若框支层≥3层时，这个比例则可以提升至3%以上；在框支柱数量>10根且框支层≤2层的情况下，设计时需将剪力之和控制在基底剪力的20%左右，但若框支层≥3层，这个比例则可提升至30%左右。

最后，对剪力墙进行科学设计，满足其各项构造要求。对于上部墙体，设计时需明确应力集中部位，并通过增加配筋等方式来减轻应力集中带来的不利影响。对于墙体底部，设计时则应考虑到地震剪力对落地剪力墙影响，出于保证墙体延性及承载性的考虑，在进行截面设计的时候，应格外重视落地剪力墙的结构设计，以保证加强部位能够正常发挥作用。通常来讲，弯矩值应等于墙底截面地震作用效应组合弯矩值与增大系数的乘积。另外，需强调的是，墙肢设计同样非常重要，需尽最大努力避免偏心受拉。

结束语

计算机计算能力的不断提高和数值分析方法的不断改进，使得对各种复杂结构的准确分析和设计成为可能。但我们在进行复杂结构的计算分析之前，应充分弄清楚该结构的复杂特点，针对性的选取适合的计算软件，结合规范，尽可能采用不同模型的计算程序进行计算分析，取得尽可能接近真实的结构反应，为结构设计提供足够的计算依据。

参考文献：

[1]吴志杰.复杂高层建筑整体结构抗震分析[J].江西建材，2016，（10）：28-29.

[2]周立朋.某复杂高层建筑结构动力弹塑性时程分析研究[J].河南建材，2015，（4）：32-33.