平面和立面不規則多層框架結構的實例探討

楊雨龍

(大同市建筑設計研究院，山西大同 037006)

現代建筑為了體現建筑師的造型概念設計理念，建筑的功能和形式的要求也相對以往復雜的多。為了滿足建筑外觀與使用功能的需求，設計師越來越傾向于設計平面和立面都很復雜的建筑。對于結構設計人員而言，就是要在滿足結構設計規范要求的前提下，盡量符合方案設計理念，建造出美觀大方的建筑物。同時，結構設計人員在進行結構設計時，還要考慮結構方案優化，節約造價等經濟方面的因素，使結構設計既滿足建筑需求，又使建設方減少投資達到滿意的效果。對于平面和立面均不規則的建筑，現在已經層出不窮，隨處可見。依據GB 50011-2010建筑抗震設計規范對平立面均不規則的建筑結構，在進行抗震設計中的設計原則也作了相應的規定。規范中3.4.5條規定，體型復雜、平立面特別不規則的建筑，應根據不規則程度、地基基礎條件和技術經濟等因素的比較分析，確定是否需要設置防震縫。

當在適當部位設置防震縫時，宜形成多個較規則的抗側力單元，這樣可使結構抗震分析單元模型簡單，容易估計其地震作用和采取抗震措施，但需要考慮扭轉地震效應，并按規范要求設置縫寬，使防震縫兩側在預期的地震下不發生碰撞或減輕碰撞引起的局部損壞。當不設置防震縫時，應采用符合實際的計算模型，分析判明其應力集中、變形集中或地震扭轉效應等導致的易損部位，采取相應的加強措施。體型比較復雜的建筑并不一概提倡設置防震縫，是否設置防震縫各有利弊。對于可設縫、可不設縫時，不設縫為好，規范中沒有強條規定，故此對于平面及立面均不規則的建筑并不是要求必須設置抗震縫。

下面就應用一個具體工程算例來闡述一下設計人的思路。此建筑沒有設縫而且長度超長，通過軟件分析計算，設計人員設計思路的敘述，并依據審圖專家的意見進行了構造措施加強，希望為平立面均不規則的建筑結構的抗震設計提供參考。圖1～圖3為平面圖，圖4～圖6為后澆帶設置位置圖。

圖1 1層平面圖

受大同市實驗小學委托我院對行政教學綜合樓的方案進行施工圖設計，方案圖紙已經被各級部門審查認可過，建筑面積4 655 m2，建筑高度 19.5 m，地上共5層，每層層高均為3.9 m。該建筑物體型并不大，形狀像古錢幣刀柄形，結構形式相對簡單，但在平面布置圖中體型并不規則，且立面在2層頂突變。1層突出部分超出規范的50%的要求，豎向剛度在2層頂部退回產生剛度突變，且收回比例不滿足規范限值要求。故此本設計有違背規范的地方，但考慮到并非高層設計，且體型并不是特別不規則，沒有特別容易造成破壞的地方，設計人員嚴格按照空間模型計算使用PKPM和PMSAP兩種軟件進行設計計算，考慮了一些加強構造措施，把前面局部1層，2層部分按照主樓裙樓考慮，即使破壞也不會對主體5層框架產生嚴重影響，從使用功能來講，前面突出部分為食堂和辦公用房，按時間段人流量不會很大，且遇地震發生時易逃生。

依據本人對抗震規范的理解，如前面2層裙房配樓與主體分開，配樓有三跨則成單榀框架，如果作為獨立單元模型進行單獨計算時，該單元體抗扭周期為主振型，對抗震不利。按新抗震規范條文解釋理解，樓體能不設縫，盡量不設，故本設計未設置伸縮縫按整體空間計算模型考慮抗震。配樓與主體存在剛度差異，故此考慮扭轉破壞，配樓柱均加大截面，與主體連接處柱均加強考慮，采取全高箍筋加密處理，符合強柱弱梁的設計思路。依據審圖專家意見，主樓與配樓連接處走廊的樓板應進行加強處理，故設計時1層和2層樓板均為120厚雙層雙向配筋。計算時第一周期與扭轉第一周期比值不超0.9，扭轉影響在規范要求數值范圍內。考慮主樓與配樓之間基礎沉降差異不同，在配樓第一跨梁1/3處設置了后澆帶，施工時要求主體施工完畢后再進行配樓基礎施工，保證兩部分沉降差值基本一致。主樓全長63.8 m，超出規范要求50 m的限值，故此在中部設置了后澆帶，防止超長溫度及剛度不均的影響作用。后澆帶并不是萬能的，但在大同施工過的樓體有一定的經驗可循，都有很好的建筑使用效果，本次設計也采取了這種做法。主樓凹回去部位梁截面以及配筋均進行了加強處理，考慮了梁發生扭轉破壞的可能性，同時梁截面沒有突變的地方。地基持力層較好，土質均勻，且無復雜地質情況，該樓采用柱下獨立基礎，基礎頂設置連系拉梁，保證基礎整體性，防止建筑基礎的沉降差。其他的計算參數以及計算結果包括位移比以及剛度比等均滿足規范要求，經過上述內容的設計理念應用調整，該圖順利通過圖審，以上僅為設計人員的設計思路以及設計理念，如有不妥之處懇請提出寶貴意見。

圖2 2層平面圖

圖3 3層及標準層平面圖

圖4 1層后澆帶設置位置平面圖

圖5 2層后澆帶設置位置平面圖

圖6 3層及標準層后澆帶設置位置平面圖

這次計算應用的PKPM軟件是建筑科學院開發的相對功能性與針對性較強的設計軟件。不規則結構的設計，在PKPM中設計人員應注意的是對合理計算參數的選擇，且不能完全按照矩形結構的設計參數，否則就會影響整個結構的安全性與準確性，降低不規則結構的穩定性與抗震性能。因此應在設計中充分利用軟件的計算與分析功能完成對不規則多層框架結構的合理設計。如果有可能的話用兩種不同的軟件進行分析比較，找到結構薄弱部位，以及彈塑性變形破壞的節點，針對具體的地方進行構造或結構加強。合理的計算模型，加上合適的計算軟件配合，再加上設計師的理念判斷與分析，體型復雜多樣的建筑一定會安全可靠的設計出來，為城市建設提供一個提升的平臺。

［1］ GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

［2］ GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［3］ 王玉杰.平立面不規則框架結構抗震問題探討［J］.遼寧工程技術大學學報，2003，22(6):10-13.

［4］ 高小旺，龔思禮.建筑抗震設計規范理解與應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［5］ 李國勝.混凝土結構設計禁忌及實例［M］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［6］ 王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.