淺談不規則建筑結構的設計

陳朝暉

(大理州建筑設計院   云南大理   671000)

引言

    國內外許多大的地震災害都表明了建筑工程，由于結構平面不對稱、不規則、抗側力構件布置不當及質量分布非常不對稱都會引起建筑質量中心和剛度中心之間的偏心，從而導至地震時扭轉而產生嚴重破壞．甚至整個結構倒塌，因此建筑結構的扭轉問題一直引起工程界的極大關注，為提高結構的抗扭能力減少扭轉變形，我國在《建筑抗震設計規范》 lGB50011一2001)和《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3—2002)和高規》中都做了相關規定。

1.建筑結構不規則特征

    1.1平面不規則結構

    1)扭轉不規則，按剛性樓蓋計算，當樓層最大層間位移大于該樓層兩端層間位移平均值的l.2倍。

    2)凸凹不規則

    ①平面狹長，在抗震設防裂度為6度、7度時，平面長寬比大于6.0度大于5。

    ②凸出過細，凸出部分的長寬比大于2.0度大于1.5。

    ③凹進太多，平面凹進一側尺寸大于相應投影方向總尺寸的0.35，8度大于0.3。

    3)樓板局部不連續

    ①除《抗震規范》中“樓板局部不連續”的相關規定外，還包括從上一層到下一層的樓板有效剛度的變化大于50％。

    ②開洞面積大于該層樓面面積的30％。

    ③采用細腰形平面。

    ④有較大的樓層錯層。

    1.2豎向不規則結構

    1)重量不規則

    任何一層的有效質量大于相鄰層的150％以上。則可視為存在質量不規則，但屋頂的質量低于下一層的l50％以上時不視為存在質量不規則。

    2)豎向抗側力構件不連續

    豎向抗側力構件如柱、抗震墻、抗震支撐的內力由水平轉換構件如梁，桁梁等向下傳遞。

    3)側向剛度不規則

    樓層側面剛度小于相鄰上部樓層的70％或其上相鄰三層平均值的80％，高層結構上部樓層收進部位到室外地面高度大于房屋高度的20％，上部樓層收進的水平尺寸大于相鄰下一層的25％，高層結構上部樓層外挑，下部樓層的水平尺寸小于上部尺寸的90％，且水平外挑尺寸大于4m，結構頂部取消部分墻、柱形成空曠房間。

    4)復雜高層結構

    帶轉換層的結構，帶加強層的結構，錯層結構、連體結構多塔樓結構等。

    5)超規范結構

    ①超高結構：超過了規范規定的最大高度。

    ②超限結構：超過了規范規定的其它限值。

    ③新型結構：指采用新材料、新工藝、新技術建造的，規范沒有涉及的新的結構類型。

2.結構不規則程度分類

    2.1一般不規則結構

    1)位移比>1.2，且A級高層建筑<1.35，B級高層建筑<1.3

    2)承載力比<0.8，但A級高層建筑>0.65，B級高層建筑>0.75

    3)超過平面或豎向不規則的某一項指標，且超過不多。

    4)具有某一種復雜高層結構類型，如帶轉換層，加強層、錯層、連體、多塔等。

    2.2特別不規則結構

    1)位移比>1.3，且A級高層建筑<1.5，B級高層建筑<1.4。

    2)周期l：LA級高層建筑>0.9，B級高層建筑>0.85

    3)承載力比A級高層建筑<0.65，B級高層建筑<0.75。

    4)同時具有兩項超過平面或豎向不規則指標或某一項指標超限值較多。

    5)同時具有兩種復雜高層結構類型如錯層、連體、多塔、帶轉換層、加強層。

    6)具有高位轉換，復雜錯層或連體，偏置多塔，厚板轉換等特別復雜結構。

    2.3嚴重不規則結構

    1)位移比、周期比、剛度比、承載力比等多項參數不滿足規范要求或無法計算。

    2)體形復雜，平面、立面極不規則，多項指標超限或一項指標大大超限。

    3)同時具有帶轉換層，帶加強層、錯層，多塔中三種以上的復雜高層結構類型。

    4)屬于超高、超限、新型中的一種。

3.結構不規則破壞機理

    根據材料力學可知，當一個構件受到扭矩作用時，離構件剛度中心越遠的地方剪應力越大，剪切變形也越大，而在整體結構中，當結構受扭矩作用時，豎向構件將承受剪力。

圖l結構扭轉受力示意圖

    如圖l所示的一均勻對稱結構，質心和剛心重合于0點，當結構受到一扭矩時將在各柱中產生Fl和F2的剪力， 其中離剛心遠的柱受的剪力Fl要大于離剛心近的柱受的剪力F2。離剛心越遠的柱子承受的剪力越大，離剛心越近的柱子承受的剪力越小。在地震作用下產生扭矩作用將明顯增大豎向構件的剪力，這將造成豎向墻柱構件不足以抵抗水平剪力，從而導致結構豎向墻柱發生脆性剪力破壞，甚至導致整個結構倒塌的嚴重后果，也就是說一旦由于扭轉作用而使得地震作用產生的水平剪力大于豎向墻柱構件所能承擔的剪力，整個結構將變成“弱剪強彎，弱柱強梁”的結構體系，結構將可能瞬間發生脆性破壞而倒塌。因此，結構抗震設計應采取有效措施嚴格控制結構的扭轉效應并充分估計結構可能產生的扭轉效應，適當提高結構的抗扭能力。

4.不規則結構控制參數

    1)位移比(層問位移比)是指按剛性樓板假定計算樓層的最大水平位移(或層問位稱)與該樓層兩端平均水平位移(或層間位移)的比值是控制結構水平不規則性的重要指標。SATWE軟件可以分別輸出單向地震、雙向地震、偶然偏心影響的位移比，供設計人員選用。

    2)周期比是結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期Tl之比是控制結構扭轉變形的重要指標。控制周期比的目的是控制結構扭轉變形要小于結構平動變形，控制地震作用下結構扭轉激勵振動效應不成為主振動效應，避免結構扭轉破壞。SATWE軟件不能自動計算輸出周期比,需要設計人員根據計算結果及各振型特征自行判斷計箕.

    3)側面剛度比是相鄰樓層間側向剛度的比值，是控制結構豎向不規則的重要指標。樓層的側向剛度不應小于相鄰上一層的70％或小于其上相鄰三層側向剛度平均值80％。剛度比  不滿足要求說明該豎向不規則結構出現薄弱層，該層地震剪力應乘以l.15的增大系數。SA TWE軟件可以自動計算各樓層的剛度比，并對剛度比不滿足要求的薄弱層放大地震剪力。

    4)層間受剪承載力比是相鄰層間抗側力結構受剪承載力的比值，是控制結構豎向不規則的重要指標。建筑結構的摟層層間抗側力結構受剪力與其上一層受剪承載力的比值不宜于小0.8。SATWE軟件可以計算輸出各樓層的受剪承載力比，但需要設計人員自行判斷是否有薄弱層及是否需要調整。

5.不規則建筑結構的設計方法與措施

    結構的不規則性是由多方面原因造成的，幾何形狀的劇烈變化，荷載傳遞路徑的中斷，承載力和剛度變化的非連續性，由樓板或剪力墻開洞導致的控制部位的分解，超常規的構件截面尺寸，凹角，非結構構件布置不當引起結構變形形態的改變等。結構的不規則將使結構的地震反應復雜化．因此應特別強調采用抗震概念設計。

    根據地震災害和工程經驗形成的基本設計原則和基本設計思想，進行建筑，結構的總體布置，根據結構的不規則程度，采用不同的計算分析方法，并對可能出現的薄弱部位采取有效的抗震措施。

    5.1調整結構平面的不規則性，減小結構偏心距

    調整結構布置的不規則性一般是在初步計算分析以后，從計算結果文件中找出結構的質心和剛心位置，從而判斷結構的剛度分布情況，然后再根據具體情況適當增加或者減少離質心較遠的剪力墻，從而達到減小質心和剛心偏心率，改善結構扭轉效應的目的。

    5.2調整結構抗扭剛度與抗側剛度之比，控制結構周期比

    1)在建筑允許的情況下，盡量加長加厚周邊剪力墻尤其是離剛心最遠處的剪力墻，提高抗扭剛度，減小結構扭轉周期Tt。

    2)減少核心筒的剪力墻厚度或采用弱連梁連接剪力墻，從而減少核心筒剛度，削弱結構的側移剛度，加大第一平動周期Tl。

    3)在結構周邊加設拉梁，加強周邊連梁剛度，增強結構抗扭剛度，減小結構扭轉周期Tt。

    4)結構剛心附近的剪力墻對結構抗扭剛度貢獻不大，但對側移剛度貢獻大，因此削弱剛心附近的剪力墻，可加大第一平動周期Tl。

    5.3選擇合理的計算分析方法

    “三水準抗震設防，兩階段抗震設計”是我國現階段的基本抗震設計思想，“三水準設防”是指抗震設防的目標是：小震不壞，中震可修，大震小倒；“兩階段設計”是指對建筑結構要進行多遇地震下的彈性變形驗算和罕遇地震下的彈塑性變形驗算。在結構設計方案初步確定后，應針對結構的不規則程度，合理選擇抗震計算方法：

    1)多遇地震作用和彈性工作狀態下的內力和變形分析，第一階段設計可假定結構與構件處于彈性工作狀態，內力和變形設計可采用線性靜力方法或線性動力方法，常用的結構分析方法有：

    ①底部剪力法。

    ②振型分解反應譜法，這是 SATWE軟件主要的計算方法。

    2)罕遇地震下的彈塑性變形驗算，第二階段設計是對大震下不容易倒塌的不規則結構和有特殊要求的結構進行彈塑性分析驗算，主要分析方法有：

    ①彈塑性時程分析方法；

    ②靜力彈塑性分析方法。

    5.4平面規則而豎向不規則的建筑應采取

    1)空間結構分析模型計算軟件進行計算。

    2)進行彈塑性變形分析。

    3)對薄弱層的地震力應乘以1.15的增大系數。

    5.5有很多體型復雜的建筑，很難用若干簡化的定量指標來劃分，設計人員應對設計的建筑的抗震性能有所估計，宜采用抗震性能好的規則的方案，不宜采用抗震性能差的不規則方案，不應采用嚴重不規則的設計方案，平面和豎向均存在不規則的建筑結構，原則上盡量避免不要采用。

    5.6抗震措施

    抗震措施是大量震害的教訓和總結，是眾多專家學者設計經驗的概括，是抗震計算結果的合理有效補充，尤其是對特別不規則和嚴重不規則的結構，抗震措施顯得更重要。

    1)結構布置上可采用將外邊緣梁加寬及加高的做法，增強結構的整體性和抗扭剛度，減少地震作用下的扭轉效應。

    2)在外伸端及結構的細腰處均增加板厚以減少樓板較窄對結構抗震不利的影響，使外伸端與主體及細腰兩側結構能變形協調。

    3)要求設備預留洞在管線安裝完成后均用混凝土封堵，加強樓板的整體性。

    4)對位于周邊的薄弱框架提高抗震等級，在地震作用下，增強其安全性，使破壞不先在這些部位發生。

    5)洞口邊緣設置邊梁，至少設暗梁，洞口角部集中設置斜向鋼筋。洞口附近有效傳力樓板應加大厚度，提高板內配筋率，采用雙層雙面配筋，必須時需加配角部的斜面鋼筋。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)