針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則設(shè)計問題的探討

趙旭

摘要：建筑結(jié)構(gòu)對于現(xiàn)代城市來講，不僅僅是居住環(huán)境，也是一種文化符號，是城市人文環(huán)境的反映。建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)大量的涌現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)和設(shè)計的科學(xué)性是保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵，本文針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則的設(shè)計問題進行了探討。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代建筑；不規(guī)則結(jié)構(gòu)；設(shè)計

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不規(guī)則性的主要表現(xiàn)形式

高層建筑各種不規(guī)則的結(jié)構(gòu)形式主要表現(xiàn)為：扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凸凹不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向值驟變、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件向下傳遞、樓層承載力突變、結(jié)構(gòu)的周期比過大、復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、帶加強層的結(jié)構(gòu)、錯層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、多塔樓結(jié)構(gòu)等。

扭轉(zhuǎn)不規(guī)則表現(xiàn)是偶然偏心的位移大于1.2。凸凹不規(guī)則表現(xiàn)為平面狹長，抗震設(shè)防烈度是6度或7度時，平面長寬比大于6.0；凹進尺寸太多，平面凹進側(cè)的尺寸大于投影總尺寸的0.35；凸出的過細，凸出部分的長寬比要大于2.0。

樓板局部不連續(xù)主要表現(xiàn)在樓板開洞凹進后，有效樓板的寬度小于該層樓板典型寬度的一半左右；開洞面積明顯大于該層的樓面面積；選擇細腰型平面；有較大范圍的樓層錯層情況。

側(cè)向剛度不規(guī)則主要表現(xiàn)在樓層側(cè)向剛度要小于相鄰三層樓層平均值的80%左右，小于相鄰上部樓層的70%左右；高層結(jié)構(gòu)上部樓層與室外地面高度的距離要高于房屋高度20%，收進的平均尺寸要大于相鄰下層樓層尺寸25%；如高層結(jié)構(gòu)的上面部分樓層外挑，下面樓層的水平值要高于上部90%，并且水平外挑尺寸要大于4m。

二、建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則控制參數(shù)

1、位移比（層間位移比）是指按剛性樓板假定計算樓層的最大水平位移（或?qū)娱g位移）與該樓層兩端平均水平位移（或?qū)娱g位移）的比值。位移比是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標。規(guī)則結(jié)構(gòu)的位移比不宜大于1.2；不規(guī)則結(jié)構(gòu)的位移比A級高層建筑不應(yīng)大于1.5，B 級高層建筑不應(yīng)大于1.4。SATWE 軟件可以分別輸出考慮單向地震、雙向地震、偶然偏心影響的位移比，供設(shè)計人員選用。位移比的計算及調(diào)整應(yīng)結(jié)合工程實際進行，例如，當(dāng)樓層最大層間位移角的絕對值很小時，考慮偏心影響的位移比限值可以適當(dāng)放松。

2、周期比是結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比。周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標。控制周期比的目的是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形要小于結(jié)構(gòu)平動變形，控制地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)激勵振動效應(yīng)不成為主振動效應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞。結(jié)構(gòu)的周期比 A 級高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高層建筑和復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。SATWE 軟件不能自動計算輸出周期比，需要設(shè)計人員根據(jù)計算結(jié)果及各振型特征自行判斷計算。周期比不滿足要求，主要通過改進結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，加強周邊主體結(jié)構(gòu)，弱化內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度來解決。

3、側(cè)向剛度比是相鄰樓層間側(cè)向剛度的比值，它是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標。結(jié)構(gòu)某樓層的側(cè)向剛度不應(yīng)小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%。剛度比不滿足要求，說明該豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱層，該層地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)。SATWE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樓層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)受剪承載力的比值，是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標。建筑結(jié)構(gòu)的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)受剪承載力與其上一層受剪承載力的比值不宜小于0.8；不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)A級高層建筑的受剪承載力比不應(yīng)小于0.65，B級高層建筑不應(yīng)小于0.75。受剪承載力比小于0.8，說明該結(jié)構(gòu)有薄弱層，該層地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù)。SATWE 軟件可以計算輸出各樓層的受剪承載力比，但需要設(shè)計人員自行判斷是否有薄弱層及是否需要調(diào)整地震力。

三、設(shè)計計算

1、不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算

結(jié)構(gòu)的不規(guī)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(xù)性、由樓板或剪力墻開洞導(dǎo)致的控制部位的分解、超常規(guī)的構(gòu)件截面尺寸、凹角、缺少足夠的贅余度以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置不當(dāng)引起結(jié)構(gòu)變形形態(tài)的改變等。結(jié)構(gòu)的不規(guī)則將使結(jié)構(gòu)的地震反映復(fù)雜化，因此應(yīng)特別強調(diào)采用抗震概念設(shè)計，根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗形成的基本設(shè)計原則和基本設(shè)計思想，進行建筑結(jié)構(gòu)的總體布置，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度，采用不同的計算分析方法，并對可能出現(xiàn)的薄弱部位采取有效的抗震措施。

2、選擇合理的計算分析方法

“三水準抗震設(shè)防，兩階段抗震設(shè)計”是我國現(xiàn)階段的基本抗震設(shè)計思想。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方案初步確定以后，應(yīng)針對結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度，合理選擇抗震計算方法。

2.1多遇地震作用和彈性工作狀態(tài)下的內(nèi)力和變形分析第一階段設(shè)計可假定結(jié)構(gòu)與構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)，內(nèi)力和變形設(shè)計可采用線性靜力方法或線性動力方法。常用的結(jié)構(gòu)分析方法有：

（1）底部剪力法，適用于：規(guī)則的多層結(jié)構(gòu)；規(guī)則的高度不超過40m高層結(jié)構(gòu)。

（2）振型分解反應(yīng)譜法，這是SATWE軟件主要的計算分析方法，適用于：規(guī)則的多高層結(jié)構(gòu)；一般不規(guī)則多高層結(jié)構(gòu)；特別不規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)。

（3）彈性時程分析方法，應(yīng)采用二組實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符，即單條波計算的結(jié)構(gòu)總地震剪力不小于按反應(yīng)譜方法計算的65%，多條波計算的平均值不小于反應(yīng)譜法的80%。

四、不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)采取的措施

很多地震案例中，扭轉(zhuǎn)脆性破壞很容易對不規(guī)則建筑造成嚴重的影響，導(dǎo)致建筑物坍塌等事故。保證不規(guī)則高層建筑的安全性，一方面必須限制建筑平面布置的不規(guī)則性，避免在設(shè)計中偏心過大，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重的扭轉(zhuǎn)，另一方面，要加強建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，通過加強這兩方面的設(shè)計，來避免安全隱患。

1、減小結(jié)構(gòu)相對偏心距，調(diào)整不規(guī)則結(jié)構(gòu)平面布置

改善建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，降低樓層位移程度，可以通過調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心的距離。科學(xué)分析計算建筑結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則布置，找到結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心的位置，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實際情況，拉近質(zhì)心和剛心的距離，從而減小建筑結(jié)構(gòu)的偏心率，改善結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2、控制結(jié)構(gòu)周期比，調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和抗扭剛度比

控制建筑結(jié)構(gòu)周期比，是調(diào)整結(jié)構(gòu)不規(guī)則布置的重要手段。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期，還可以在結(jié)構(gòu)邊設(shè)置拉梁，提高結(jié)構(gòu)的抗扭度，從而減小扭轉(zhuǎn)周期。

3、提高周邊抗扭構(gòu)件抗剪力，增強結(jié)構(gòu)抗扭性能安全

在發(fā)生強震時，建筑結(jié)構(gòu)中原本對稱的結(jié)構(gòu)會在地震的作用下發(fā)生偏心的情況，所以除了調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)布置，還應(yīng)加強建筑結(jié)構(gòu)中重要部件的抗剪性，提高建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗扭性，保證強震狀態(tài)下，建筑物能保持高彈性狀態(tài)。

4、抗震設(shè)計時，設(shè)置防震縫

如果建筑平面形狀較為復(fù)雜，很難將結(jié)構(gòu)調(diào)整成規(guī)則形態(tài)時，應(yīng)在設(shè)計中，設(shè)置防震縫，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)劃分成各個單元，能夠幫助清晰、直觀的分析建筑結(jié)構(gòu)，更好的完成抗震設(shè)計。如果抗震縫周圍的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，要綜合考慮抗震縫的寬度設(shè)置，如果臨近結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降加大，必須價款抗震縫的寬度，保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能有效發(fā)揮。

參考文獻：

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