對現代建筑結構設計中不規則設計的探討

王玉生

【摘要】在現代城鎮建設中，不規則的建筑結構往往是不可避免的，而且正是這些造型新穎別致的不規則建筑物，給居住環境帶來氣象萬千，別具一格的人文景觀。因此，對不規則結構不應一味地排斥、拒絕，而應當因勢利導，趨利避害。為城鎮化建筑物的多樣性增添更多光彩。

【關鍵詞】現代建筑；不規則結構；結構設計

一、不規則建筑設計的特征

1、 第一類： 平面不規則結構。一是扭轉不規則：位移比大于 1.2。二是凸凹不規則：①平面狹長，在抗震設防烈度為 6 度、7 度時，平面長寬比大于 6.0（8 度時大于 5.0）；②凹進太多，平面凹進一側的尺寸大于相應投影方向總尺寸的 0.35（8 度時大于0.3）；③凸出過細，凸出部分的長寬比大于 2.0（8 度時大于 1.5）。三是樓板局部不連續：①樓板開洞凹入后，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的 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。

2、第二類：豎向不規則結構側向剛度不規則：①樓層側向剛度小于相鄰上部樓層的70%或其上相。鄰三層平均值的 80%；②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%；③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；④結構頂部取消部分墻、柱形成空曠房間。二是豎向抗側力構件不連續：豎向抗側力構件（柱、抗震墻、抗震支撐）的內力由水平轉換構件（梁、桁架等）向下傳遞。三是樓層承載力突變：A 級高層建筑的層間受剪承載力比小于 0.8，B級高層小于 0.75。

3、第三類： 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。

4、 第四類： 超規范結構。一是超高結構，超過了規范規定的最大高度。二是超限結構，超過了規范規定的其它限值。三是新型結構，特指采用新材料、新工藝、新技術建造的，規范沒有涉及的新的結構類型。超規范結構由于其超過規范的限值，或違反規范強制性條文的規定，或沒有現成的規范條文作依據，沒有成熟的技術可借鑒，不論其平面立面的布置是否規則，都將其定為不規則結構，以便從嚴設計審查，顯然是非常必要的。

二、設計計算

1、 優化設計方案：一是調整結構方案，加強結構抗扭剛度，減小結構平面布置的不規則性，避免產生過大的偏心矩。二是對平面凸凹不規則結構，可以設置防震縫或滑動鉸支撐，形成多個較規則的抗側力結構單元。三是對樓板不連續結構，可以設置拉梁或拉板，減少樓板的不連續程度。四是對樓層剛度突變和承載力突變的結構，應改進設計減少結構豎向的不規則程度。

2、選擇合理的計算分析方法。一是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，適用于：規則的多層結構；規則的高度不超過 40m高層結構。（2）振型分解反應譜法，這是 SATWE 軟件主要的計算分析方法，適用于：規則的多高層結構；一般不規則多高層結構；特別不規則的高層結構。（3）彈性時程分析方法，應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曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符，即單條波計算的結構總地震剪力不小于按反應譜方法計算的65%，多條波計算的平均值不小于反應譜法的 80%。SATWE 軟件包含該分析方法，其適用于：7 度～9 度抗震設防的甲類高層結構，復雜高層結構，特別不規則的高層結構。二是罕遇地震下的彈塑性變形驗算。第二階段設計是對大震下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，結構在大震下的薄弱部位，位移限值，塑性鉸位置及其發生的時刻，以便有針對性地采取抗震構造措施。主要分析方法有：彈塑性時程分析方法和靜力彈塑性（推覆）分析方法。彈塑性變形驗算方法適用于：12 層以下純框架結構（可用簡化的彈塑性時程分析驗算）；特別不規則的高層結構；嚴重不規則的高層結構。該類結構除計算分析外，還應按建設部令 111 號規定，在結構初步設計階段申報抗震設防專項審查。應當指出，對高烈度地區重要的、標志性的不規則建筑物，由于其社會影響和經濟利益巨大，必須提高抗震設防標準，由“中震可修”提高到“中震不壞”，因此對這類結構的關鍵構件和薄弱部位，應采用比規范更嚴格的抗震要求，如中震不屈服設計、中震彈性設計或大震承載力驗算。主要措施是：①根據抗震設防烈度，提高最大地震影響系數，如采用中震或大震的影響系數；②根據扭轉變形指標位移比的增大程度，適當從嚴控制地震作用下層間最大位移角的限值。

三、電算參數設置

1、扭轉耦聯。從理論分析和工程實例計算得知，考慮扭轉耦聯影響的計算適用于任何空間結構，非耦聯計算通常用于平面結構。因此，空間分析軟件 SATWE 取消了是否選擇扭轉耦聯的選項，在結構計算中總考慮扭轉耦聯的影響，顯然這對扭轉不規則結構的計算分析是十分有利的。

2、振型數量。《高規》規定，抗震計算時，宜考慮平扭耦聯計算結構的扭轉效應，振型數不應小于 15，且計算振型數應使振型參與質量不小于總質量的 90%。為了保證抗震計算結果準確，必須選取足夠多的振型數量，使有效質量系數大于 0.9。但振型數也不能取的太多，不能超過結構有質量貢獻的自由度總數。SATWE 軟件計算振型數的缺省值為 15，設計人員可以根據工程實際情況自行修改。對于不規則的建筑結構，特別是具有彈性樓板，樓板開大洞，錯層，躍層，多塔等結構，由于有質量貢獻的自由節點數大大增加，選擇的振型數也必須大大增加，才能確保有效質量系數大于 0.9，使抗震計算結果真實可信。

3、雙向地震。《抗震設計規范》強制條文規定，質量和剛度分布明顯不對稱的結構，應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響。但“明顯不對稱的結構”如何衡量呢，如果沒有明確的標準，強制條文豈不成為可執行可不執行？建議設計人員將本文提出的特別不規則結構作為明顯不對稱、不均勻結構，考慮雙向地震影響。

4、設置彈性樓板。當結構平面凹凸不規則，樓板不連續，樓板開大洞等情況形成狹長板帶時，當連體結構采用弱連接樓蓋連接兩翼主體結構時，當采用框支剪力墻轉換結構時，該部位的樓板不應采用剛性樓板假定計算，而應采用彈性樓板模型計算地震作用效應，即在SATWE 軟件特殊構件設置中將其設定為彈性板。

結語

隨著我國經濟實力和科學技術水平的大幅提升，人們思想觀念的不斷更新，嚴格意義的規則建筑已經很難見到，代之而起的是大批新穎別致，標新立異，張顯個性的建筑物，各地大量涌現的現代新型建筑物幾乎都是不規則或很不規則的，它們的出現既給城鎮建設帶來了嶄新的面貌，又給工程設計人員提出了嚴峻的挑戰，如何按照規范精神，進行不規則建筑結構的抗震設計與計算分析，成為工程設計中必須解決的重要課題。

參考文獻

[1]北京市建筑設計技術細則（結構專業）[S].

[2]徐培福等.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.