劉媛媛

摘 要：隨著時代的發(fā)展，高層建筑越來越多的應用在城市中，而為了建筑的實用性和地標性設計者對不規(guī)則造型情有獨鐘。豎向不規(guī)則設計對建筑結(jié)構(gòu)抗震設計有著至關重要的影響，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性，使設計者對豎向?qū)Σ灰?guī)則結(jié)構(gòu)的建筑設計提出了更高的要求。下文對豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)設計的特點、分類及設計重點做了淺析，同時取例共設計者探討。

關鍵詞：抗震設計 豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu) 剛度 建筑結(jié)構(gòu)

緒 言

在現(xiàn)在的工程中，為追求美感，建筑立面造型多種多樣，很多高層建筑出現(xiàn)層數(shù)不等，左右不對稱的情況，從而出現(xiàn)豎向不規(guī)則高層建筑。對于此高層建筑，地震作用下，建筑物破壞在薄弱部位，而建筑的薄弱部位一般表現(xiàn)在不規(guī)則的部位，不規(guī)則一般都會引起質(zhì)心和剛心之間的偏心，不規(guī)則結(jié)構(gòu)往往會在一些部位產(chǎn)生應力集中，使建筑物在地震的作用下發(fā)生嚴重破壞。歷史上地震后分析發(fā)現(xiàn)，一般做成重大災害的建筑都是不規(guī)則結(jié)構(gòu)的建筑物，造成大量的生命財產(chǎn)損失和嚴重后果。因此，在我國的《建筑抗震設計規(guī)范》中明確規(guī)定對不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)應采取加強措施。設計者在設計時，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，從理論設計的角度，采取適當?shù)臉?gòu)造措施，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，以此達到合理、安全、經(jīng)濟的效果。

首先介紹下結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的概念。我國對豎向布置不規(guī)則結(jié)構(gòu)的設計要求主要在《建筑抗震設計規(guī)范》）和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》中介紹說明。建筑結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性即結(jié)構(gòu)立面造型簡單，抗側(cè)力體系剛度強度、樓層重量（質(zhì)量）等上下變化連續(xù)、均勻，一般情況下是各樓層質(zhì)量較為均勻一致，樓層剛度與強度沿著建筑從下往上逐漸減小，抗側(cè)力體系上能夠保持穩(wěn)定的連續(xù)性。當?shù)卣鸬絹頃r，地震作用從地基通過基礎傳遞到上部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生加速度，由于加速度的作用，結(jié)構(gòu)的構(gòu)圖鏈體系件就會產(chǎn)生慣性力與內(nèi)力。此時，一個結(jié)構(gòu)傳遞地震作用的路徑至關重要。

其次，豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分類主要有以下三種：

1、強度分布不規(guī)則：建筑結(jié)構(gòu)的樓層強度（樓層屈服承載力）是指結(jié)構(gòu)在所考慮地震作用方向上，建筑結(jié)構(gòu)樓層所有承受水平地震作用抗側(cè)力構(gòu)件的受剪承載力之和。造成某一樓層的強度不規(guī)則的原因主要由：豎向構(gòu)件（剪力墻、柱）截面突變、截面縱向鋼筋（或型鋼）不足等原因造成的相鄰上下樓層的樓層抗剪承載力的嚴重差異。通常把這種樓層成為“弱層”。弱層容易導致結(jié)構(gòu)的塑性變形集中，從而導致結(jié)構(gòu)局部或整體的不穩(wěn)定或倒塌。通常樓層的抗震延性需求分布對樓層強度的改變較為敏感。

2、剛度分布不規(guī)則：剛度不規(guī)則是指：由于建筑功能的需求，如底部需要大空間可能導致的樓層高度變化，部分豎向構(gòu)件也難以直通到基底，由此造成了結(jié)構(gòu)樓層剛度不統(tǒng)一。部分非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也擁有一定的剛度與強度，不可預見地提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與強度，比如，對填充墻進行合理的布置則能夠為結(jié)構(gòu)提供有效的剛度與強度，有利于結(jié)構(gòu)抗震；如果布置不合理，即使結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件布置均勻、連續(xù)、對稱也可能導致結(jié)構(gòu)的豎向剛度不規(guī)則?！败泴印比菀滓饓χ舷聝啥水a(chǎn)生過大的塑性變形集中，導致結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的層間位移而不適于繼續(xù)工作?，F(xiàn)實工程中，許多情況下剛度不規(guī)則與強度不規(guī)則同時出現(xiàn)。

3、質(zhì)量分布不規(guī)則：樓層的有效重量指的是結(jié)構(gòu)每層自重荷載標準值和一定比例的可變荷載組合值之和。質(zhì)量不規(guī)則是指結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層、室內(nèi)游泳池樓層、架空層等特殊功能樓層，由于其質(zhì)量與普通樓層相差較大，引起的質(zhì)量集中。質(zhì)量集中引起樓層慣性力加大，引起較大的重力二階效應，增加了結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性與倒塌概率。相對于強度與剛度分布不規(guī)則，質(zhì)量不規(guī)則對結(jié)構(gòu)地震反應的需求影響較小。

以上是對豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的介紹，那么工程設計中怎么優(yōu)化不規(guī)則結(jié)構(gòu)對抗震的影響，主要從以下三個方面著手。

1、豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震能力表現(xiàn)在對高階振型反應敏感。在PKPM模型計算中可以看出豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)對地震效應有明顯的集中應力的情況，上部結(jié)構(gòu)的自重越小，對抗震效果越有利。所有在設計計算中適當調(diào)整上部自重是一個結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)對建筑的抗震的影響的措施之一。

2、現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設計中我們一般都采用電算，在PKPM中豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)地震作用效應調(diào)整是設計者解決不規(guī)則結(jié)構(gòu)對抗震的影響的方法，根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》3.4.3條規(guī)定，豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，其薄弱層的地震剪力應乘以1.15的增大系數(shù)：5.1.14條規(guī)定，樓層側(cè)向剛度小于上層的70%或其正二層平均值的80%時，該樓層地震剪力應乘1.15增大系數(shù)；3.4.3條規(guī)定，堅向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時，該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應乘以1.25-1.5的增大系數(shù).

3、抗震設計時考慮設置防震縫，將結(jié)構(gòu)劃分為幾個較簡單的單元。

我們在工程中經(jīng)常會遇到到的豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)的例子有如下兩種：

框架結(jié)構(gòu)底層層高很大，二層層高較小的情況，且底層作為車庫或者架空層，隔墻很少或者沒有隔墻，應采用強制控制薄弱層處理。底層層高很大且設有夾層的情況，二層層高較小，軟件計算沒有反應出此部位側(cè)向剛度的變化，則加強計算即按不帶夾層的模型復核計算，同時按地震系數(shù)放大1.5倍出結(jié)果。

底層無隔墻，上部結(jié)構(gòu)中隔墻比較多的建筑，軟件無法考慮隔墻的側(cè)向剛度，設計者可在底層加強處理?？稍O剪力墻或者加斜向支撐。

綜上所述，：在實際工程中，因豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)對建筑物的安全性的影響，設計者應選用正確的計算分析方法和計算模型，如不規(guī)則建筑應采用振型分解反應譜法和空間結(jié)構(gòu)計算模型，薄弱層地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)等措施來解決工程中的相應問題。

參考文獻：

[1] 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》JGJ3-2016.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016

[2] 《建筑抗震設計規(guī)范》CB50011-2010[M].北京：建筑工業(yè)出版社 ， 2010