关于竖向不规则结构设计的浅析

刘媛媛

摘 要：随着时代的发展，高层建筑越来越多的应用在城市中，而为了建筑的实用性和地标性设计者对不规则造型情有独钟。竖向不规则设计对建筑结构抗震设计有着至关重要的影响，为了保证建筑结构的安全性，使设计者对竖向对不规则结构的建筑设计提出了更高的要求。下文对竖向不规则结构设计的特点、分类及设计重点做了浅析，同时取例共设计者探讨。

关键词：抗震设计 竖向不规则结构 刚度 建筑结构

绪 言

在现在的工程中，为追求美感，建筑立面造型多种多样，很多高层建筑出现层数不等，左右不对称的情况，从而出现竖向不规则高层建筑。对于此高层建筑，地震作用下，建筑物破坏在薄弱部位，而建筑的薄弱部位一般表现在不规则的部位，不规则一般都会引起质心和刚心之间的偏心，不规则结构往往会在一些部位产生应力集中，使建筑物在地震的作用下发生严重破坏。历史上地震后分析发现，一般做成重大灾害的建筑都是不规则结构的建筑物，造成大量的生命财产损失和严重后果。因此，在我国的《建筑抗震设计规范》中明确规定对不规则的建筑结构应采取加强措施。设计者在设计时，在保证结构安全的前提下，从理论设计的角度，采取适当的构造措施，优化结构布置，以此达到合理、安全、经济的效果。

首先介绍下结构竖向不规则的概念。我国对竖向布置不规则结构的设计要求主要在《建筑抗震设计规范》）和《高层建筑混凝土结构技术规程》中介绍说明。建筑结构竖向规则性即结构立面造型简单，抗侧力体系刚度强度、楼层重量（质量）等上下变化连续、均匀，一般情况下是各楼层质量较为均匀一致，楼层刚度与强度沿着建筑从下往上逐渐减小，抗侧力体系上能够保持稳定的连续性。当地震到来时，地震作用从地基通过基础传递到上部结构，结构会产生加速度，由于加速度的作用，结构的构图链体系件就会产生惯性力与内力。此时，一个结构传递地震作用的路径至关重要。

其次，竖向不规则结构的分类主要有以下三种：

1、强度分布不规则：建筑结构的楼层强度（楼层屈服承载力）是指结构在所考虑地震作用方向上，建筑结构楼层所有承受水平地震作用抗侧力构件的受剪承载力之和。造成某一楼层的强度不规则的原因主要由：竖向构件（剪力墙、柱）截面突变、截面纵向钢筋（或型钢）不足等原因造成的相邻上下楼层的楼层抗剪承载力的严重差异。通常把这种楼层成为“弱层”。弱层容易导致结构的塑性变形集中，从而导致结构局部或整体的不稳定或倒塌。通常楼层的抗震延性需求分布对楼层强度的改变较为敏感。

2、刚度分布不规则：刚度不规则是指：由于建筑功能的需求，如底部需要大空间可能导致的楼层高度变化，部分竖向构件也难以直通到基底，由此造成了结构楼层刚度不统一。部分非结构构件也拥有一定的刚度与强度，不可预见地提高了结构的抗侧刚度与强度，比如，对填充墙进行合理的布置则能够为结构提供有效的刚度与强度，有利于结构抗震；如果布置不合理，即使结构其他构件布置均匀、连续、对称也可能导致结构的竖向刚度不规则。“软层”容易引起墙柱上下两端产生过大的塑性变形集中，导致结构发生较大的层间位移而不适于继续工作。现实工程中，许多情况下刚度不规则与强度不规则同时出现。

3、质量分布不规则：楼层的有效重量指的是结构每层自重荷载标准值和一定比例的可变荷载组合值之和。质量不规则是指结构转换层、室内游泳池楼层、架空层等特殊功能楼层，由于其质量与普通楼层相差较大，引起的质量集中。质量集中引起楼层惯性力加大，引起较大的重力二阶效应，增加了结构的不稳定性与倒塌概率。相对于强度与刚度分布不规则，质量不规则对结构地震反应的需求影响较小。

以上是对竖向不规则结构的介绍，那么工程设计中怎么优化不规则结构对抗震的影响，主要从以下三个方面着手。

1、竖向不规则结构抗震能力表现在对高阶振型反应敏感。在PKPM模型计算中可以看出竖向不规则结构对地震效应有明显的集中应力的情况，上部结构的自重越小，对抗震效果越有利。所有在设计计算中适当调整上部自重是一个结构竖向不规则结构对建筑的抗震的影响的措施之一。

2、现在结构设计中我们一般都采用电算，在PKPM中竖向不规则结构地震作用效应调整是设计者解决不规则结构对抗震的影响的方法，根据《建筑抗震设计规范》3.4.3条规定，竖向不规则的建筑结构，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数：5.1.14条规定，楼层侧向刚度小于上层的70%或其正二层平均值的80%时，该楼层地震剪力应乘1.15增大系数；3.4.3条规定，坚向不规则的建筑结构，竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.25-1.5的增大系数.

3、抗震设计时考虑设置防震缝，将结构划分为几个较简单的单元。

我们在工程中经常会遇到到的竖向不规则结构的例子有如下两种：

框架结构底层层高很大，二层层高较小的情况，且底层作为车库或者架空层，隔墙很少或者没有隔墙，应采用强制控制薄弱层处理。底层层高很大且设有夹层的情况，二层层高较小，软件计算没有反应出此部位侧向刚度的变化，则加强计算即按不带夹层的模型复核计算，同时按地震系数放大1.5倍出结果。

底层无隔墙，上部结构中隔墙比较多的建筑，软件无法考虑隔墙的侧向刚度，设计者可在底层加强处理。可设剪力墙或者加斜向支撑。

综上所述，：在实际工程中，因竖向不规则结构对建筑物的安全性的影响，设计者应选用正确的计算分析方法和计算模型，如不规则建筑应采用振型分解反应谱法和空间结构计算模型，薄弱层地震剪力乘以1.15的增大系数等措施来解决工程中的相应问题。

参考文献：

[1] 《高層建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2016.北京：中国建筑工业出版社，2016

[2] 《建筑抗震设计规范》CB50011-2010[M].北京：建筑工业出版社 ， 2010