针对建筑结构设计中不规则设计问题的探讨

赵旭

摘要：建筑结构对于现代城市来讲，不仅仅是居住环境，也是一种文化符号，是城市人文环境的反映。建筑行业的不断发展，不规则建筑结构大量的涌现，其结构和设计的科学性是保证建筑结构稳定的关键，本文针对建筑结构设计中不规则的设计问题进行了探讨。

关键词：现代建筑；不规则结构；设计

一、高层建筑结构设计中不规则性的主要表现形式

高层建筑各种不规则的结构形式主要表现为：扭转不规则、凸凹不规则、楼板局部不连续、侧向刚度不规则、竖向值骤变、竖向抗侧力构件不连续，竖向抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递、楼层承载力突变、结构的周期比过大、复杂高层结构，带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构等。

扭转不规则表现是偶然偏心的位移大于1.2。凸凹不规则表现为平面狭长，抗震设防烈度是6度或7度时，平面长宽比大于6.0；凹进尺寸太多，平面凹进侧的尺寸大于投影总尺寸的0.35；凸出的过细，凸出部分的长宽比要大于2.0。

楼板局部不连续主要表现在楼板开洞凹进后，有效楼板的宽度小于该层楼板典型宽度的一半左右；开洞面积明显大于该层的楼面面积；选择细腰型平面；有较大范围的楼层错层情况。

侧向刚度不规则主要表现在楼层侧向刚度要小于相邻三层楼层平均值的80%左右，小于相邻上部楼层的70%左右；高层结构上部楼层与室外地面高度的距离要高于房屋高度20%，收进的平均尺寸要大于相邻下层楼层尺寸25%；如高层结构的上面部分楼层外挑，下面楼层的水平值要高于上部90%，并且水平外挑尺寸要大于4m。

二、建筑结构不规则控制参数

1、位移比（层间位移比）是指按刚性楼板假定计算楼层的最大水平位移（或层间位移）与该楼层两端平均水平位移（或层间位移）的比值。位移比是控制结构平面不规则性的重要指标。规则结构的位移比不宜大于1.2；不规则结构的位移比A级高层建筑不应大于1.5，B 级高层建筑不应大于1.4。SATWE 软件可以分别输出考虑单向地震、双向地震、偶然偏心影响的位移比，供设计人员选用。位移比的计算及调整应结合工程实际进行，例如，当楼层最大层间位移角的绝对值很小时，考虑偏心影响的位移比限值可以适当放松。

2、周期比是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。周期比是控制结构扭转效应的重要指标。控制周期比的目的是控制结构扭转变形要小于结构平动变形，控制地震作用下结构扭转激励振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。结构的周期比 A 级高层建筑不应大于0.9，B级高层建筑和复杂高层建筑不应大于0.85。SATWE 软件不能自动计算输出周期比，需要设计人员根据计算结果及各振型特征自行判断计算。周期比不满足要求，主要通过改进结构设计方案，加强周边主体结构，弱化内部主体结构，提高结构抗扭刚度来解决。

3、侧向刚度比是相邻楼层间侧向刚度的比值，它是控制结构竖向不规则的重要指标。结构某楼层的侧向刚度不应小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。刚度比不满足要求，说明该竖向不规则结构出现薄弱层，该层地震剪力应乘以1.15的增大系数。SATWE软件可以自动计算各楼层的刚度比，并对刚度比不满足要求的薄弱层放大地震剪力。

4、层间受剪承载力比是相邻楼层间抗侧力结构受剪承载力的比值，是控制结构竖向不规则的重要指标。建筑结构的楼层层间抗侧力结构受剪承载力与其上一层受剪承载力的比值不宜小于0.8；不规则建筑结构A级高层建筑的受剪承载力比不应小于0.65，B级高层建筑不应小于0.75。受剪承载力比小于0.8，说明该结构有薄弱层，该层地震剪力应乘以1.15的增大系数。SATWE 软件可以计算输出各楼层的受剪承载力比，但需要设计人员自行判断是否有薄弱层及是否需要调整地震力。

三、设计计算

1、不规则建筑结构的设计计算

结构的不规则性是由多方面原因造成的，几何形状的剧烈变化、荷载传递路径的中断、承载力和刚度变化的非连续性、由楼板或剪力墙开洞导致的控制部位的分解、超常规的构件截面尺寸、凹角、缺少足够的赘余度以及非结构构件布置不当引起结构变形形态的改变等。结构的不规则将使结构的地震反映复杂化，因此应特别强调采用抗震概念设计，根据地震灾害和工程经验形成的基本设计原则和基本设计思想，进行建筑结构的总体布置，根据结构的不规则程度，采用不同的计算分析方法，并对可能出现的薄弱部位采取有效的抗震措施。

2、选择合理的计算分析方法

“三水准抗震设防，两阶段抗震设计”是我国现阶段的基本抗震设计思想。在结构设计方案初步确定以后，应针对结构的不规则程度，合理选择抗震计算方法。

2.1多遇地震作用和弹性工作状态下的内力和变形分析第一阶段设计可假定结构与构件处于弹性工作状态，内力和变形设计可采用线性静力方法或线性动力方法。常用的结构分析方法有：

（1）底部剪力法，适用于：规则的多层结构；规则的高度不超过40m高层结构。

（2）振型分解反应谱法，这是SATWE软件主要的计算分析方法，适用于：规则的多高层结构；一般不规则多高层结构；特别不规则的高层结构。

（3）弹性时程分析方法，应采用二组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，即单条波计算的结构总地震剪力不小于按反应谱方法计算的65%，多条波计算的平均值不小于反应谱法的80%。

四、不规则高層建筑结构设计中应采取的措施

很多地震案例中，扭转脆性破坏很容易对不规则建筑造成严重的影响，导致建筑物坍塌等事故。保证不规则高层建筑的安全性，一方面必须限制建筑平面布置的不规则性，避免在设计中偏心过大，而导致结构发生严重的扭转，另一方面，要加强建筑结构的扭转刚度，通过加强这两方面的设计，来避免安全隐患。

1、减小结构相对偏心距，调整不规则结构平面布置

改善建筑结构的扭转效应，降低楼层位移程度，可以通过调整建筑结构的质心和刚心的距离。科学分析计算建筑结构平面不规则布置，找到结构质心和刚心的位置，根据建筑结构的实际情况，拉近质心和刚心的距离，从而减小建筑结构的偏心率，改善结构的扭转效应。

2、控制结构周期比，调整结构抗侧刚度和抗扭刚度比

控制建筑结构周期比，是调整结构不规则布置的重要手段。通过调整结构的抗扭刚度，减小结构的扭转周期，还可以在结构边设置拉梁，提高结构的抗扭度，从而减小扭转周期。

3、提高周边抗扭构件抗剪力，增强结构抗扭性能安全

在发生强震时，建筑结构中原本对称的结构会在地震的作用下发生偏心的情况，所以除了调整建筑结构布置，还应加强建筑结构中重要部件的抗剪性，提高建筑结构在地震作用下的抗扭性，保证强震状态下，建筑物能保持高弹性状态。

4、抗震设计时，设置防震缝

如果建筑平面形状较为复杂，很难将结构调整成规则形态时，应在设计中，设置防震缝，将复杂的结构划分成各个单元，能够帮助清晰、直观的分析建筑结构，更好的完成抗震设计。如果抗震缝周围的结构较为复杂时，要综合考虑抗震缝的宽度设置，如果临近结构的基础沉降加大，必须价款抗震缝的宽度，保证建筑结构的抗震性能有效发挥。

参考文献：

[1]田源.超长且平面、立面不规则建筑结构的设计分析[J].铁道标准设计，2010

[2]李冰，李滨泉，李桂文.数字时代下建筑设计方法的变革[J].新建筑，2009（03）：112-113