豎向不規則建筑結構概述

(廣州大學，廣東 廣州 510006)

1.結構豎向不規則的定義

建筑結構豎向規則性即結構立面造型簡單，抗側力體系剛度強度、樓層重量 (質量)等上下變化連續、均勻，一般情況下是各樓層質量較為均勻一致，樓層剛度與強度沿著建筑從下往上逐漸減小，抗側力體系上能夠保持穩定的連續性。

建筑結構的豎向不規則是與結構豎向規則相對而言的。從力學角度上講，那就要考慮一個建筑結構體系是如何傳遞地震作用的過程。當地震到來時，地震作用從地基通過基礎傳遞到上部結構，結構會產生加速度，由于加速度的作用，結構的構件就會產生慣性力與內力。此時，一個結構傳遞地震作用的路徑至關重要。如圖1所示，可以把建筑結構等效為由若干個鏈扣組成的鏈體系，只有鏈扣之間有足夠且有效的連接才可以把整個結構串聯起來，形成一個有效的結構整體。當其中某一個或若干鏈扣體系出現間隙或缺陷，都可能會導致結構傳力路徑的中斷，在中斷的位置附近會產生較大的塑性變形與應力集中，因而可能導致整個結構的失效。

圖1 鏈體系

2.結構豎向不規則的分類

建筑結構豎向不規則的類型有很多，各國相關規范都對其進行了相關的限定，如承載力突變、剛度突變、樓層突出等。歸根結底，豎向不規則的類型主要是從強度、剛度與質量上去劃分。

1)強度分布不規則

建筑結構的樓層強度 (樓層屈服承載力)是指結構在所考慮地震作用方向上，建筑結構樓層所有承受水平地震作用抗側力構件的受剪承載力之和。造成某一樓層的強度不規則的原因主要由:豎向構件 (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”。弱層容易導致結構的塑性變形集中，從而導致結構局部或整體的不穩定或倒塌。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)剛度分布不規則

剛度不規則是指: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，部分豎向構件也難以直通到基底，由此造成了結構樓層剛度不統一。部分非結構構件也擁有一定的剛度與強度，不可預見地提高了結構的抗側剛度與強度，比如，對填充墻進行合理的布置則能夠為結構提供有效的剛度與強度，有利于結構抗震;如果布置不合理，即使結構其他構件布置均勻、連續、對稱也可能導致結構的豎向剛度不規則。“軟層”容易引起墻柱上下兩端產生過大的塑性變形集中，導致結構發生較大的層間位移而不適于繼續工作，如圖2所示。現實工程中，許多情況下剛度不規則與強度不規則同時出現。

圖2 “軟層”結構

3)質量分布不規則

樓層的有效重量指的是結構每層自重荷載標準值和一定比例的可變荷載組合值之和。質量不規則是指結構轉換層、室內游泳池樓層、架空層等特殊功能樓層，由于其質量與普通樓層相差較大，引起的質量集中，如圖3所示。質量集中引起樓層慣性力加大，引起較大的重力二階效應，增加了結構的不穩定性與倒塌概率。相對于強度與剛度分布不規則，質量不規則對結構地震反應的需求影響較小。3.我國規范對豎向不規則的相關說明:

圖1 質量集中結構

對于豎向不規則的設計，以下整理并給出了我國規范的相關規定，供有關設計人員參考。我國對豎向布置不規則結構做了很多規定和限制，這些規范主要包括《建筑抗震設計規范》2010版 (簡稱《抗規》)[1]和《高層建筑混凝土結構技術規程》2012版(簡稱《高規》)[2]。兩者對比和總結如表1所示。同時，在《高規》中給出了樓層質量之比不超過1.5的規定。

表1 我國規范中關于結構豎向不規則的規定和限制[1][2]

[1]中華人民共和國行業標準.GB50011－2010建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社，2010

[2]中華人民共和國行業標準.JGJ3－2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社，2010