平面不规则高层结构的破坏实例及分析
平面不规则高层建筑结构设计分析121
平面不规则高层建筑结构设计分析摘要：随着我国建筑的发展，为了讲究建筑的设计立体感，平面不规则高层建筑结构设计越来越普遍。
文章以某多层结构平面凹凸不规则，设计建造标准较低，现拟对其进行钢结构增层及改扩建，并实现功能转换。
按照现行抗震规范及检测鉴定规范规定提高结构的抗震设防类别，并对房屋进行抗震鉴定，发现该房屋在承载力和抗震措施方面均存在较大不足。
介绍了钢结构增层改扩建设计中既有建筑的承载能力加强和抗震构造措施加强的设计，分析了增层改扩建后结构的整体抗震性能，并提出改扩建施工中注意事项。
关键词：既有建筑；改扩建；钢结构加层；加固设计；抗震分析1 前言城市迅速发展与建设用地紧张之间的矛盾日趋激烈，许多建于20世纪80年代的多层房屋已不能满足高层次的城市发展需求。
鉴于这些建筑物目前还处于使用年限内，且大多位于市中心地段、交通便捷，因此对其进行增层改扩建，改善功能、延长使用寿命可以满足经济、社会可持续发展的需求。
80年代建造的房屋，由于当时的经济、技术水平限制，按照现行规范标准衡量，均存在抗震性能不良的缺陷。
当时建造的框架结构体系大多采用单向框架，连系梁拉结形成整体，其整体性能不好;有些建筑平面不规则，但并未采取对抗震有利的加强措施;预制装配式楼、屋盖对抗震也极为不利。
这些既有建筑在改扩建设计中，首先要对既有结构进行抗震措施的补强和承载能力的加强。
本文以某改扩建工程为例，在其抗震鉴定结论基础上，介绍了加固及改扩建方案，并对改扩建房屋进行抗震性能分析，为后期同类工程提供一定的建议。
2 工程概况2.1 原工程概况某既有建筑为一栋地上3层、地下1层的装配式混凝土框架结构，平面呈凹形，于20世纪80年代末期设计建成。
原设计设有洗衣场、仓库、注浆中转站、鞋帽加工场、仓库、服装加工厂及辅助用房等。
建成后作为上海市某居住区中的配套综合服务大楼使用，于2000年左右改作酒店使用，并设有厨房、餐厅大堂、大小包间等设施。
该建筑地下1层按人防常五级设计建造。
高层建筑结构设计中平面不规则问题的分析与抗震措施
之二十二，也高过了２０％。
塔楼结构平面图勘察设计条件下的弹性时程以及不屈服，借助ＳＡＴＷＥ做出具体的验算以及分析；验算弹塑性静力的时候使用了ＥＰＤＡ，按照斜向以及水平作用正交对指标进行了计算。
３．２结果（１）分析周期。
无论是ＳＡＴＷＥ计算，还是ＧＳＳＡＰ计算，都可以有如下所得：周期１、２都是平动的，周期３是扭转的。
比较扭转周期以及第１平动周期，二者之间的比值小于０．８５这个限值，为０．８０７。
平动周期在两方面行比较接近，也就是运动性能没有很大的差距。
（２）水平位移。
不同水平荷载的条件下，弹性层间位移角即使在最大的条件下，也符合规范的具体要求。
（３）抗剪承载力值和层间刚度的比值。
伴随楼层增加，本建筑物的侧向高度呈均匀状态的减小。
不同工况条件下，规范的具体要求都能够得到满足：刚度最小的为首层刚度，和上一层相比，首层的刚度仅仅是其上一层的７９％，和上面三层对应的平均刚度相比，首层的高度是平均水平的８４％；在抗剪承载力方面，首层也是最小的，是其上一层剪承载力的９５％，符合规范对应的具体要求。
（４）反应谱法其余主要计算结果。
计算时所选振型数满足规范要求，剪重比均大于１．６％，可不另作楼层地震剪力调整。
刚重比大于１．４，可通过整体稳定验算，且由于该值大于２．７，可不考虑重力二阶效应。
框架所承担的最大倾覆弯矩比例小于５０％，底层框架承担的倾覆弯矩为４５．６％，说明本工程结构布置的剪力墙数量较为合理，两程序在底部剪力及底部倾覆弯矩较接近，说明其计算结果可互相印证。
（５）弹性时程分析。
计算时选取了１条程序所提供的二类场地人工波数据以及２组天然波数据，经比对该３组波的计算结果，均符合《高规》３．３．５条要求。
（６）验算Ｐｕｓｈｏｖｅｒ，中震和大震条件下的不屈服性能。
计算的过程中，大震推覆验算是依据Ｘ、Ｙ向展开的。
结果告诉我们：推覆性能点在所有方向上对应的层间最大位移角应该要比限值小，这样结构体系能够在大震的情况下，具有抗震的功效。
平面不规则结构设计在高层建筑中的措施分析
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目录
• 引言 • 平面不规则结构概述 • 平面不规则结构在高层建筑中的
应用 • 平面不规则结构设计的措施分析
目录
• 平面不规则结构设计在高层建筑 中的优化策略
• 结论与展望
01
引言
研究背景与意义
• 高层建筑是现代城市空间的重要组成部分，尤其在人口密集、土地资源紧张的地区，高层建筑的建设需求更为 显著。
指出了平面不规则结构设计在高层建筑中的发展趋势， 如数字化设计、智能化建造等。
总结了平面不规则结构设计的概念和特点，以及在高层 建筑中的重要性。
提出了针对这些问题的解决措施，包括对结构进行详细 的力学分析、优化结构设计、提高结构强度和刚度等。
研究不足与展望
虽然本文对平面不规则结构设计在高层建筑中的问题进行了较全面的分 析，但仍有部分问题未能深入探讨，如复杂地震波下的结构响应、新型 材料的运用等。
加强专业培训
定期开展结构设计人员的专业培训，提高其理论 知识和设计技能。
严格遵守规范
确保结构设计人员充分了解并遵守相关规范和标 准，提高设计的质量和安全性。
建立反馈机制
建立结构设计人员的反馈机制，鼓励其提出改进 建议和创新思路，不断完善和提高设计水平。
06
结论与展望
研究结论
分析了平面不规则结构设计在高层建筑中的常见问题， 如地震作用下的结构安全性、风载作用下的稳定性等。
优化结构抗震性能设计
抗震设防标准
根据建筑所在地的地震烈度和场 地条件，确定合理的抗震设防标
准。
抗震构造措施
采取有效的抗震构造措施，如加 强构件连接、设置防震缝等，提
高结构的抗震性能。
平面不规则高层建筑结构的分析与设计
平面不规则高层建筑结构的分析与设计发表时间：2015-12-02T17:04:55.443Z 来源：《工程建设标准化》2015年8月供稿作者：王娟[导读] 江阴市建筑设计研究院有限公司对高层建筑结构进行设计的过程中，必须重视其平面布置的规则性。
王娟（江阴市建筑设计研究院有限公司，江苏，江阴，214400）【摘要】随着城市建设的发展，高层建筑越来越多，不规则结构平面高层建筑大量出现在我们的视野里，如何加强此类建筑的抗震设计和稳定性设计是需要重点考虑的内容，为此，本文就不规则性高层建筑结构设计的相关内容进行了探析，以此提高此类建筑的安全性。
【关键词】平面不规则；高层建筑；结构；设计引言对高层建筑结构进行设计的过程中，必须重视其平面布置的规则性。
一旦高层建筑平面设计不规则，很容易造成安全事故的产生，这主要是因为一旦结构不规则，高层平面质量中心和刚度中心将无法集中在一点，最终结构将会产生扭转现象。
更为严重的情况下，将直接破坏结构的稳定性。
所以，对此课题进行研究具有较强的现实意义。
一、平面不规则性的高层建筑结构设计特点1、在高层建筑结构设计中，水平力是其中重要的影响因素一般在对高层建筑进行结构设计时，必须将结构竖向荷载因素放在首要位置分析。
相关资料显示，结构自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，与建筑高度的一次方成正比；然而，水平荷载对结构产生的影响是十分不同的，其主要是与建筑结构高度的两次方成正比。
换个角度思考，如果建筑物的高度达到要求，则竖向荷载将会变成一个定值。
相对于作为水平荷载的风荷载和地震作用，它的数值变化较为特殊，其主要随着结构动力特性的变化。
2、降低高层建筑自身的重量在具体的施工过程中，减轻高层建筑自重显得尤为重要。
依据笔者的工作经验，得出一个结论:地震效应与建筑的重量成正比。
根据以上关系，可以发现降低房屋自重是提高结构性能的最佳途径。
如果增大高层建筑的重量，那么其结构承受的地震剪力将会越大，地震作用倾覆力矩越大。
平面不规则高层结构的破坏实例及分析
除了客观存在的偏心距外，《高规》还要求计算单向 地震作用时应考虑5％L的偶然偏心的影响。这主要是 考虑由于施工、使用造成的附加偏心距及地震扭转分 量等引起的不利影响。5％L不是一个准确的数值，它 是国内外通用的数据。是充分考虑扭转效应的一种方 法，有利于验证和提高结构抗扭能力．
三、平动一扭转藕联的放大效应
1）平面不规则 4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。 4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。 2）竖向不规则 塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平 处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m× 1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严 重不均匀，不连续。 主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈； 横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧； 塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均 严重破坏或倒塌。 震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力 大大不足,率先破坏；3.水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。
上海理工大学环境与建筑学院土 木与建筑专业 刘义
试问： 那一幢破坏严 重呢？
马那瓜美洲银行大厦
马那瓜中央银行大厦
马那瓜 中央银行大厦
结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包 括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来， 美洲 这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结 银行 构能观察到的主要破坏。 分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的 联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了 明显 切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加， 但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移 量得到控制。
谈平面不规则高层建筑结构设计
谈平面不规则高层建筑结构设计提纲：1. 平面不规则高层建筑结构设计的特点和优劣2. 平面不规则高层建筑结构设计中的挑战和解决方案3. 案例分析：平面不规则高层建筑结构设计的成功案例4. 平面不规则高层建筑结构设计中的技术革新和发展趋势5. 建筑专家在平面不规则高层建筑结构设计中的角色和责任一、平面不规则高层建筑结构设计的特点和优劣平面不规则高层建筑结构设计的特点是指其躯体平面处于不规则形状，因此其结构设计多具有复杂性、独特性、适应性等特点。
这一设计方式通常会产生很多截面不同的构件，同时在楼层的高差和局部结构的特殊需求方面，更具挑战性，因而需要某些特殊技术来解决或优化。
在平面不规则高层建筑结构设计中，采用已有技术和材料以完成复杂结构是其优劣势之一。
在某些情况下，平面不规则的建筑更有可能拥有更好的视觉效果与更高的价值。
然而，良好的视觉效果和更高的价值对于周围的环境和社会价值并不总是一致的，同时当建筑的性能成为最终结果的决定因素时，实现功能性强大的平面不规则高层建筑是有挑战性的。
二、平面不规则高层建筑结构设计中的挑战和解决方案平面不规则高层建筑结构设计面临的主要挑战来自于几个方面：首先，这些建筑中使用的构建材料和技术还处于发展阶段，这会使设计师需要思考如何在保证建筑结构刚性的同时减轻建筑负荷和提高建筑耐用性。
其次，平面不规则高层建筑结构通常存在多层结构的问题，在这种情况下，需要设计更为复杂的结构系统，以使结构在各个方向和层间均保持平衡，从而满足建筑高度和形态上的要求。
三、案例分析：平面不规则高层建筑结构设计的成功案例1. 中国塔中国塔位于中国澳门，由金蝶集团楼盘开发，其中一代表了现代建筑技术和极具视觉效果的设计。
这座塔楼平面不规则，拥有七个角，折叠的外墙设计对建筑结构提出了巨大的挑战。
为了解决这个问题，设计师采用了高强度钢材，以确保建筑的刚性，同时将塔楼与外部性能进行了协调，实现了平衡和稳定性。
这种结构设计提供了在紧凑空间内最大化底层商务区域的足够空间的可能性。
分析平面不规则高层建筑结构设计
分析平面不规则高层建筑结构设计对于建筑的结构设计，我国有相应的规范要求，要求建筑的平面布置需要具有规则性，相应的的结构之间需要存在一定的对称关系，建筑的整体结构设计需要协调合理，不应该选用不规则的平面布置方案，这样对于结构的整体的性能会造成不利的影响。
但是新技术、新材料的不断出现，科学技术的不断创新，为平面不规则高层建筑的结构设计提供了技术保障，如今传统的建筑规范要求已经渐渐不适用于当今的建筑需求。
品面不规则建筑为城市建设添加了新的风貌。
一、高层建筑平面不规则结构设计问题高层建筑会因为结构设计的不规则使得建筑结构产生一定的扭转效应，当然外界不良因素对于建筑的影响也会造成结构发生相应的扭转效应，外界不良因素的影响指的是例如建筑区域内发生地震，地震会对地面结构造成严重的影响，地面某部分结构会发生位移，存在的一定扭转力就会使建筑结构产生扭转效应。
建筑结构本身也会导致这种不良现象的产生，以往的建筑结构设计时，会把建筑结构设计想象成一种平面的模型，这种设计方法只是适用于原来循规蹈矩的规则结构设计，在不规则结构设计中会存在很大的缺陷，因为不规则结构设计的建筑，建筑的质量中心和刚度中心所在位置很在一定的差距，并没有相互的重合。
在高层建筑品面不规则结构实际时，首先要考虑极限的扭转效应，从而确定建筑需要控制扭转力的额度，并且能对扭转效应的周期指标有一定的了解，要严格的保证建筑可以拥有良好的抗扭转性能，这样才能更好地对周期进行控制，位移比的控制也应格外的注意，提升性能有效途径就是提升建筑的质量和整体结构的刚度。
二、工程概述某工程建筑面积11457.3㎡，共21层高66.12m，地下室1层～地上3层是商业广场，层高3.6m，以上楼层为住宅区，层高3m。
工程采用框架-剪力墙结构设计，采用平面不规则、扭矩不规则设计，合理的剪力墙能够提高建筑的稳定性，需要对建筑结构设计中的薄弱部分采取抗震构造设计。
工程在建筑中中分是用了电梯等，嵌入剪力墙，满足下部商场和上部民用建筑的同时，保证构件的连续性。
高层建筑结构中平面布置不规则问题的探讨
高层建筑结构中平面布置不规则问题的探讨说到高层建筑，大家脑袋里第一时间想起的是什么？大多是那些摩天大楼，挺拔入云，像一根根笔直的钢筋笔，写下了现代都市的天际线。
看着这些高楼大厦，咱们的眼光不免停留在那钢铁水泥打造的表面，琢磨着这些建筑的结构到底是怎么支撑住的。
尤其是有些楼盘，形状一看就不规则，像个大写的“L”字、像个弯弯曲曲的蛇，怎么看都不像是“标准”建筑。
别急，今天咱就聊聊这些平面不规则的高楼建筑结构，分析下它们为什么能够屹立不倒，又是怎样解决这些“不按常理出牌”的问题的。
说实话，不规则的平面布置，这可是高层建筑设计中的一大挑战。
咱们从“规则”说起。
大多数传统建筑都是方方正正的形状，大家可能会想，“那不是挺好的吗？简单直接，谁看了不懂”。
可是，城市的发展，尤其是人口激增，空间变得越来越有限了。
土地稀缺，建筑师们也得脑袋开花，得想办法在有限的空间内尽量实现最大化的利用，既要容纳更多的人，又要不失美观。
可一旦建筑物的形状开始变得不规则，问题就来了，支撑力、结构安全这些都得重新考虑。
比如说，有些建筑的外形就像个“Z”字形，或者一边宽，一边窄。
咱们就举个例子，一座高楼的底层是宽敞的商业空间，上面逐渐收缩，像一个逐步收紧的沙漏。
看上去好像挺时尚，挺前卫，但一旦建筑物的外形不规则，重心就不再集中，这就意味着，承重结构要重新调整，以保证楼体的稳定性。
否则，一旦风大，楼就可能被吹得“东倒西歪”，那可就不妙了。
楼体的各个部分需要承受的力量都不一样，尤其是高楼大厦，风压、地震这些自然力的影响都会不同。
建筑物上层的“高个子”部分，可能受到的风压比底部大得多，尤其在高空的时候，风力的影响更为显著。
这就要求设计师必须根据不同楼层的具体情况，做出相应的结构调整。
为了避免楼体不规则形状带来的问题，设计师们往往会在建筑内部设置一系列支撑体系，就像给不规则的楼形加上“筋骨”，让它在风雨面前也能稳稳当当。
不过话说回来，解决这些问题并不是一蹴而就的，得靠一些巧妙的设计。
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目前结构设计均基于小震作用的组台内力进行配 筋，中震和大震主要是通过良好结构构造如“强柱弱 梁更强节点。强剪弱弯”等构造措施来提高结构延性 以达到耗散地震能量的目的。在中震和大震作用下产 生的扭矩作用将明显增大竖向构件的剪力，这将造成 竖向墙柱构件不足以抵抗水平剪力，从而导致结构竖 向墙柱构件发生脆性剪切破坏，甚至导致整个结构倒 塌的严重后果。
平面不规则高层结构的破坏实例及分析
大量震害表明，结构平面不对称、不规则，极其容 易造成结构扭转脆性破坏，严重者甚至导致整个结构倒 塌。
1972年南美洲马那瓜地震中，两幢高层建筑的震 害程度截然不同，其中十五层的中央银行大厦因抗侧力 构件不对称布臵而发生倒塌，而采用对称外框内筒结构 的十八层美洲银行大厦却只受到轻微破坏.
二、结构扭转变形分析
引起地震波存在六个分量，即除了X、Y、z三个水 平分量外，还存在绕X、Y、z轴的三个扭转分量．其中 绕Z轴的扭转分量直接对结构产生扭矩。由于迄今为止， 尚无法准测测定地震波的扭转分量。因此目前的结构 抗震设计理论一般都是仅考虑x、Y向水平地震作用， 对于大跨度或者大悬臂结构还需要考虑z向竖向地震作 用，而没有考虑实际存在的地震波扭转分量的作用。 这必然对结构的安全造成一定的隐患，甚至部分学者 认为地震波扭转分量的作用是造成结构破坏的最重要 因素．
结构扭转破坏机理及扭转变形分析
一、结构扭转破坏机理 根据材料力学可知，当一个构件受到扭矩作用时， 离构件刚度中心越远的地方剪应力越大，剪切变形也 越大。而在整体建筑结构中，当结构受到扭矩作用时。 竖向构件将承受剪力。如图1所示的一均匀对称的结构， 质心和刚心重合于0点，当结构受到一扭矩T那么将在 各柱中产生F1和F2的剪力。其中离刚心远的柱受的剪 力F1要大于离刚心近的柱受的剪力F2。也就是说当结 构受到扭矩作用时，离刚心越远的竖向构件将承受越 火的剪力。根据结构理论可知，构件的剪切破坏是脆 性的。
上海理工大学环境与建筑学院土 木与建筑专业 刘义
试问： 那一幢破坏严 重呢？
马那瓜美洲银行大厦
马那瓜中央银行大厦
马那瓜 中央银行大厦
结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包 括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来， 美洲 这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结 银行 构能观察到的主要破坏。 分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的 联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了 明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌 体填充墙的非结构构件的损坏；3.当连梁剪 切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加， 但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移 量得到控制。
结束语
结构的扭转效应十分复杂，而且扭转效应极易导 致结构破坏，因此结构工程师必须在深刻理解结构破 坏机理的基础上，从控制结构振动特性的角度出发， 调整结构布置，使结构布置既满足建筑要求又使其计 算结果满足规范和规程的结果，同时采用基于性能的 抗震思想来进行结构抗扭设计，确保结构在地震作用 下不发生扭转破坏。
除了客观存在的偏心距外，《高规》还要求计算单向 地震作用时应考虑5％L的偶然偏心的影响。这主要是 考虑由于施工、使用造成的附加偏心距及地震扭转分 量等引起的不利影响。5％L不是一个准确的数值，它 是国内外通用的数据。是充分考虑扭转效应的一种方 法，有利于验证和提高结构抗扭能力．
三、平动一扭转藕联的放大效应
1）平面不规则 4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。 4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。 2）竖向不规则 塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平 处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m× 1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严 重不均匀，不连续。 主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈； 横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧； 塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均 严重破坏或倒塌。 震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力 大大不足,率先破坏；3.水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。
二、质心与刚心不重合产生的偏心矩 刚心的概念最早由著名结构专家美籍华人林同炎提 出的。在假设楼板是刚性的前提下，对于单层建筑结构， 水平力通过某一点，不产生扭转效应，此点称就是刚心。 对于多层建筑．刚心与单层建筑情况不同，一般是水平 荷载和刚度分布的函数，即具有不确定性。当结构进入 非弹性阶段，结构各部分构件的刚度是变化的，也就是 说刚度中心也是变化的。 地震作用时，地震力可简化为集中在质心处的集中力 F。当结构质心与刚心重合时，地震力F刚好通过刚心，这 时候将不产生扭矩。而当结构质心与刚心不重合时，而 是存在偏心距e如图3所示，这时在水平地震作用下不仅 产生地震力F，而且还产生扭矩T=Fxe．显然偏心距e越大， 扭矩T也越大，扭转效应越明显。