關于豎向不規則結構設計的淺析

劉媛媛

摘 要：隨著時代的發展，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則造型情有獨鐘。豎向不規則設計對建筑結構抗震設計有著至關重要的影響，為了保證建筑結構的安全性，使設計者對豎向對不規則結構的建筑設計提出了更高的要求。下文對豎向不規則結構設計的特點、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 豎向不規則結構 剛度 建筑結構

緒 言

在現在的工程中，為追求美感，建筑立面造型多種多樣，很多高層建筑出現層數不等，左右不對稱的情況，從而出現豎向不規則高層建筑。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在不規則的部位，不規則一般都會引起質心和剛心之間的偏心，不規則結構往往會在一些部位產生應力集中，使建筑物在地震的作用下發生嚴重破壞。歷史上地震后分析發現，一般做成重大災害的建筑都是不規則結構的建筑物，造成大量的生命財產損失和嚴重后果。因此，在我國的《建筑抗震設計規范》中明確規定對不規則的建筑結構應采取加強措施。設計者在設計時，在保證結構安全的前提下，從理論設計的角度，采取適當的構造措施，優化結構布置，以此達到合理、安全、經濟的效果。

首先介紹下結構豎向不規則的概念。我國對豎向布置不規則結構的設計要求主要在《建筑抗震設計規范》）和《高層建筑混凝土結構技術規程》中介紹說明。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。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，結構的構圖鏈體系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。

其次，豎向不規則結構的分類主要有以下三種：

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。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。

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。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。

以上是對豎向不規則結構的介紹，那么工程設計中怎么優化不規則結構對抗震的影響，主要從以下三個方面著手。

1、豎向不規則結構抗震能力表現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則結構對地震效應有明顯的集中應力的情況，上部結構的自重越小，對抗震效果越有利。所有在設計計算中適當調整上部自重是一個結構豎向不規則結構對建筑的抗震的影響的措施之一。

2、現在結構設計中我們一般都采用電算，在PKPM中豎向不規則結構地震作用效應調整是設計者解決不規則結構對抗震的影響的方法，根據《建筑抗震設計規范》3.4.3條規定，豎向不規則的建筑結構，其薄弱層的地震剪力應乘以1.15的增大系數：5.1.14條規定，樓層側向剛度小于上層的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；3.4.3條規定，堅向不規則的建筑結構，豎向抗側力構件不連續時，該構件傳遞給水平轉換構件的地震內力應乘以1.25-1.5的增大系數.

3、抗震設計時考慮設置防震縫，將結構劃分為幾個較簡單的單元。

我們在工程中經常會遇到到的豎向不規則結構的例子有如下兩種：

框架結構底層層高很大，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，同時按地震系數放大1.5倍出結果。

底層無隔墻，上部結構中隔墻比較多的建筑，軟件無法考慮隔墻的側向剛度，設計者可在底層加強處理。可設剪力墻或者加斜向支撐。

綜上所述，：在實際工程中，因豎向不規則結構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，如不規則建筑應采用振型分解反應譜法和空間結構計算模型，薄弱層地震剪力乘以1.15的增大系數等措施來解決工程中的相應問題。

參考文獻：

[1] 《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2016.北京：中國建筑工業出版社，2016

[2] 《建筑抗震設計規范》CB50011-2010[M].北京：建筑工業出版社 ， 2010