对结构体型收进建筑的分析和设计探讨

曹法书

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西大同 037006)

对结构体型收进建筑的分析和设计探讨

曹法书

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西大同 037006)

分析了结构体型收进与侧向刚度不规则的关系，介绍了结构体型收进的几种类型，并探讨了结构体型收进对建筑设计的影响，指出建筑工程中应针对不同的体型收进特征进行抗震设计，以有效减小地震灾害。

结构体型收进，侧向刚度，结构设计，抗震能力

近年来，随着建筑业的快速发展，设计工作中，经常会遇到一些建筑为了立面造型或使用功能要求，在建筑物竖向有体型收进。结构计算时，在收进处侧向刚度突变，引起周边构件内力、位移不规则变化，严重影响建筑整体抗震性能。这样的结构体型在设计时应予以足够重视。

1 结构体型收进与侧向刚度不规则的关系

侧向刚度反映了一个建筑物在水平荷载(风荷载和水平地震力)作用下抵抗变形能力的大小。正常的建筑设计原则，应是按《建筑抗震设计规范》(以下简称抗规)3.4.2条所述:“……其抗侧力构件的平面布置宜规则对称，侧面刚度沿竖向宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免侧向刚度和承载力突变”。《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称高规)3.1.5条:“……结构的竖向和水平布置宜使结构具有合理的刚度和承载力分布，避免因刚度和承载力分布突变或结构扭转效应而形成薄弱部位。”

建筑侧向刚度不规则的类型分为两类:第一类表现是“该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%”，即所谓的刚度上大下小，也称薄弱层;第二类是“除顶层或出屋面小建筑外，局部收进的水平面尺寸大于相邻下一层的25%”，即所谓的刚度上小下大，也称竖向体型收进。结构体型收进是侧向刚度不规则的其中一种表现形式，是从尺寸角度变化来衡量楼层刚度变化，如果体型收进比值不超规范限值，刚度下大上小，均匀变化，既保证了建筑物下部的稳定性，也保证了建筑物上部的扭转、剪切变形，也就满足了结构设计原则。很多保存至今的古代塔式建筑，就是体型均匀收进的很好例证，其造型“下大上小，垂直适刚”，才能在几百年甚至上千年的历史中，历经数次地震，仍然屹立不倒。

2 结构体型收进的类型

虽然体型收进，结构侧向刚度体现了下大上小，但是下刚上柔也需要控制，否则在收进楼层处会形成薄弱部位，造成位移突变，层间位移角偏大，严重时会引起建筑物倒塌破坏，不利于抗震。《抗规》3.4.3提出了建筑体型收进的水平尺寸比例限制要求，《高规》3.5.5也列出了体型收进时，建筑水平及竖向尺寸比值限定。为了更好地理解体型收进与建筑水平及竖向尺寸关系，综合起来，将其统一成明确的分类方式。结构竖向体型收进示意图见图1。

1)当H1/H≤0.2时，这种建筑属于带裙房结构(或单塔大底盘)。这种情况不讨论B1与B的比值关系，但是要注意B1与B的位置关系，即上部塔楼结构(B1部分)的质心与底盘结构(B部分)质心的距离不宜大于底盘相应边长的20%。

图1 结构竖向体型收进示意图

2)当H1/H＞0.2且B1/B＜0.75时，这种建筑属于结构体型收进的刚度侧向不规则(注意:要对建筑横纵两个方向上的体型收进都考虑)。实验分析表明，收进部位越高，收进尺寸越大，刚度突变越严重，层间位移角会越大，对结构抗震越不利。所以，对于收进的尺寸应当限制。

3)当H1/H＞0.2且B1/B≥0.75时，这种建筑属于体型收进但侧向刚度变化不明显，位移角变化不突出，符合抗震设计原则“刚度逐渐减小”。台阶式建筑、塔式建筑就是这种形式。

4)当H1/H＞0.2且B1/B＜0.75，但是，B1部位是建筑物顶层或出屋面的小建筑(电梯间、水箱间等)时，这种情况是不属于侧面刚度不规则的体型收进，应该按“鞭稍效应”考虑其地震作用。

3 结构体型收进对建筑的影响

通过对结构体型收进的梳理和分析，结构在竖向收进处刚度变小，虽然不像其他结构(如框支转换结构、砖混底框结构等)底部薄弱层造成的危害严重，但对上部结构的构件内力、剪切变形影响很大。在设计时，要根据结构收进的不同特性采取不同的设计方法和构造措施。

1)对于大底盘单塔结构，塔楼的底层是内力突变的部位，应采取构造措施予以加强。首先，为加强底盘与塔楼的整体性，保证底盘与塔楼整体工作，对竖向体型突变部的楼板加强，裙房屋面板厚度不小于150 mm，双层双向配筋，且每层每个方向钢筋网的配筋率不小于0.25%。同时体型突变部位上、下层结构的楼板也应加强构造措施(见图2a));其次，当结构偏心收进时，考虑扭转效应影响，收进处上下两层竖向构件也应加强(见图2b))。

2)对于上部侧刚不规则的体型收进，应尽可能避免，或采取薄弱层加屈曲约束支撑等方法，来减小结构刚度变化的影响，控制其上部收进结构的底部楼层层间位移角，不大于相邻下部区段最大层间位移角的1.15倍。或者在建筑立面可能调整的情况下，采用多次阶梯状均匀收进，做成台阶形建筑，以满足规范要求。否则，按照《抗规》3.4.4-2要求，应对不规则结构进行地震作用计算和内力调整，采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力乘以不小于1.15的增大系数，其薄弱层应按规范有关规定进行弹塑性变形分析。

图2 体型收进结构的加强部位示意图

3)对于类似于凸出屋面的小建筑，采用底部剪力法时，其地震作用效应，宜乘以增大系数3，此增大部分不应往下传递，但与该凸出部分相连的构件应予计入;采用振型分解法时，凸出屋面部分可作为一个质点，参与整体计算。但是，考虑到该凸出小建筑的“鞭稍效应”成因与主体结构固有频率及地面扰频有关，更应该从抗震构造措施上，加强小建筑自身的抗震能力，以及保证小建筑与屋面结构的可靠连接。

4 结语

结构体型收进虽然不是一种严重的侧向刚度不规则建筑，但收进尺寸比值超过规范限值时，对结构的抗震性能是不利的，水平地震作用下其收进处的层间位移角会显著变大，周边竖向构件内力也明显增大，严重时引起结构破坏或倒塌。结构设计中，建筑平面不仅要平面规则，更要求竖向规则，要具体分析体型收进的不同特征，采取相应的抗震措施，以减小震害。

［1］ 张维斌.混凝土结构设计问答［M］.北京:中国建筑工业出版社，2014.

［2］ 朱炳寅.建筑结构设计问答及分析［M］.北京:中国建筑工业出版社，2013.

On analysis and design of structural step-back building

Cao Fashu

(Datong No.2 Institute of Architectural Design Co.，Ltd，Datong 037006，China)

The paper analyzes the relationship between the structural step-back and irregular lateral rigidity，introduces some types of the structural step-back，explores its influence on the architectural design，and points out the seismic design can be undertaken according to various features of the step-back，so as to reduce the seismic disasters.

structural step-back，lateral rigidity，structural design，seismic capacity

TU318

A

1009-6825(2016)35-0053-02

2016-10-08

曹法书(1973-)，男，工程师