房屋结构设计中不规则性研究和总结

盛云锦

浙江华东工程建设管理有限公司 浙江 杭州 311100

1 不规则性分类

建筑的不规则主要分为平面不规则和竖向不规则两类。平面不规则主要包括扭转不规则、平面的凹凸不规则、楼板的局部不连续三类；竖向不规则主要包括侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层受剪承载力突变三类[1]。

2 不规则性产生的原因

2.1 扭转不规则

规范通过位移比来判断建筑是否扭转不规则，当建筑的扭转位移比大于1.2时，可以判定为扭转不规则。扭转不规则产生的原因主要有以下几点。

2.1.1 建筑的长宽比过大。平面越狭长的建筑，结构计算过程中的偶然偏心距就越大，抗侧力构件布置稍有不好，就会使建筑位移不协调，导致两端的竖向构件最大层间位移与最小层间位移相差过大，扭转位移比超限。

2.1.2 竖向构件的布置与受力状态不协调。建筑的荷载一般不是均匀布置，存在受荷大小差别、柱距差别等。竖向构件的抗侧刚度如果没有根据荷载不同，柱距不同等这些变化因素做相应的调整，就会导致结构受力不均衡，使结构扭转效应明显。

2.2 平面的凹凸不规则

《抗规》指出建筑平面凹进的尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%时，可以判定为扭转不规则。建筑的外轮廓决定了该建筑是否属于凹凸不规则，结构设计人员一般不能改变。当凹凸情况较为复杂时，对不规则的判别应进行多角度、多方向的比较，取不规则程度较低的数值来判断。

在结构设计的过程中，我们会碰到建筑平面存在深凹口的情况。当在凹口处设置的楼面连梁截面较小时，由于该连梁不能有效的协调两侧结构的变形，需要按弹性楼板计算，则该建筑仍属于凹凸不规则，不能按楼板开洞计算，设置该拉梁的作用只是作为凹凸不规则的加强措施。当在凹口处的连梁截面足够大时，由于该连梁能有效地协调两侧结构的变形，符合刚性楼板假定，则可按楼板大开洞考虑。需要注意的是，采用加大连梁连接刚度的措施应有利于不规则项的合并，减少不规则项，当凹凸已经是一项不规则项时，应仍按凹凸计算，当楼板大开洞已经是一项不规则项时，应按楼板大开洞计算。具体可见图1。

图1 深凹口房屋平面图

2.3 楼板局部不连续

《抗规》指出当楼板的尺寸和平面刚度急剧变化时，可以判定为楼板局部不连续。楼板局部不连续一般是由上游建筑专业的楼板布置决定的，结构设计人员需判断是否属于楼板局部不连续不规则项，并采取措施减小楼板局部不连续造成的危害。值得注意的是要理解错层和开洞的区别。规范指出对于较大的错层需按楼板开洞对待；当错层面积大于该层总面积的30%时，则属于楼板局部不连续。对“较大的错层”规范没有明确给出相关的定义。在结构设计过程中，我们一般将楼层高度差不小于600mm，且大于“楼层梁截面高度”时，确定为“较大的错层”。此处“楼层梁截面高度”为楼层梁的代表性截面高度，一般为标准跨框架梁的截面高度，非错层处梁截面高度。

2.4 侧向刚度不规则

我们可以根据《高规》3.5.2条计算侧向刚度的变化情况，并判断是否属于侧向刚度不规则项。建筑的立面一般以矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状为宜，但在实际的设计过程中会碰到许多大底盘建筑，此类建筑低层裙房和高层主楼相连，体型突变引起刚度突变，还有一些建筑中间部分楼层收进，极易造成建筑的侧向刚度不规则。

2.5 竖向抗侧力构件不连续

竖向构件未全部落地，存在通过转换层往下传力的建筑，可以判定为竖向抗侧力构件不连续。一般是由于建筑底部几层需要大的室内空间而取消一部分抗震墙或框架柱造成[2]。

2.6 楼层受剪承载力突变

抗侧力构件的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%时，可以判定为层间受剪承载力突变不规则。楼层的层间受剪承载力是指在考虑地震水平力的方向上该层所有的柱、剪力墙、支撑所能提供的受剪承载力之和。楼层层高变高，或者取消了部分框架柱、剪力墙等均会导致该层的受剪承载力变弱，造成楼层受剪承载力突变不规则。

3 建筑不规则解决对策及加强措施

3.1 总体设计原则

在建筑方案阶段，建筑外形轮廓宜最大限度地使用简单、对称、规则的几何形状，比如圆形、方形、正多边形、矩形等等。建筑形体是影响房屋规则性的根本因素，在建筑形体不规则面前，结构措施也只是补救措施。合理的建筑布置是抗震设计中的头等大事。震害调查表明，简单、对称的建筑在地震时较不易产生破坏，道理也比较简单，简单、对称的结构容易预估其地震作用时的反应，容易有针对性的采取抗震加强措施。

尽量使结构的承载力和竖向刚度自下而上逐渐减少，变化均匀、连续，不出现突变。在实际工程设计中，往往沿竖向分段改变构件的截面和材料强度，这种改变使刚度发生变化，也应自下而上递减。竖向构件尺寸和强度的改变最好避开错层，同时避免同层改变。在结构竖向构件布置时，不应采用上部刚度大，底层仅有柱的“鸡脚”建筑。这样的结构上部侧移刚度大，下部楼层侧移刚度小，结构软弱层出现在底层，地震中很容易遭到严重的破坏，而且从设计上很难采取相应的措施防止震害的发生。建筑体型复杂会导致结构体系沿竖向强度和刚度分布不均匀，在地震作用下某一层间或某一部位率先出现较大的弹塑性变形。例如，立面突然收进的建筑或局部突出的建筑，会在凹角出产生应力集中。

避免楼层既是薄弱层也是软弱层。我们一般将不符合侧向刚度比的楼层称为软弱层，不符合层间受剪承载力之比的楼层称为薄弱层。结构侧向刚度变化较大时往往伴随着应力和应变的突变，可能同时出现薄弱层和软弱层，设计时应避免出现。高层设计过程中，有的局部楼层往往层高较大，导致刚度变小，可以加厚该层的剪力墙厚度、加大柱截面提高侧向刚度。

遇到由同一平面问题引起的多项不规则问题时，应对不规则项加以区分，合并由于同一原因引起的不规则项，并按最不利一项的不规则计算作为一项不规则，应同时针对不同的不规则项采取结构加强措施。如：楼板大开洞引起的穿层柱问题，有楼板大开洞的不规则和穿层柱不规则两项，此时可只计算楼板大开洞不规则项，但需对楼板大开洞和穿层柱都采取相应的加强措施。错层在结构设计中属于严重的不规则情况，若结构已经考虑了错层的不规则，则不需要考虑有错层引起的楼板不连续。

3.2 平面不规则解决方案及加强措施

3.2.1 设置防震缝。抗震设计时，当建筑平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置使之成为较为规则的结构时，宜设置防震缝将其划分为几个较为简单、规则的结构单元。如图2所示，通过防震缝将凹凸不规则的L形、凹形建筑划分为两个、三个相对简单的单元。但设置防震缝也会带来新的问题，如由于缝的两侧均需设置墙体或框架柱而使得结构复杂，特别会使基础处理比较困难，而且地震时缝的两侧结构进入弹塑性状态，位移急剧增大而产生碰撞，产生严重的震害。轻者外立面装饰、女儿墙破坏，重者结构主体破坏。一般情况下，应优先考虑不设防震缝，能少设缝就少设缝。

图2 防震缝的设置

在遇到下列情况时，还是应设置防震缝，将建筑分为几个规则的结构单元。

3.2.1.1 平面形状属于不规则类型，或竖向属于不规则类型

3.2.1.2 房屋长度超过相关规范规定的伸缩缝最大间距，又没有条件采取特别措施而必须设置伸缩缝时。

3.2.1.3 房屋各部分的结构体系截然不同，质量或侧移刚度大小悬殊时。

3.2.1.4 地基土质不均匀或上部荷载相差较大，房屋各部分的预计沉降过大，必须设置沉降缝时。

防震缝在地面以上沿全高设置，缝中不能有填充物。当不作为沉降缝时，基础可以不设防震缝。建筑中凡是设置防震缝的就要分的彻底；凡是不设缝的，就要连接牢固，保证其整体性。绝对不要将各部分设计的似分不分，似连不连，否则连接处在地震中很容易破坏。

3.2.2 调整刚度中心，尽量与质量中心重合。结构出现扭转位移比过大的大部分原因是结构平面布置不规则，刚度中心与质量中心偏差过大。解决对策一般为加大质量中心一侧楼层边端部位的抗侧力构件的刚度，如增大剪力墙墙肢截面的长度或厚度；框架柱截面增大或加高框架梁截面。框架－剪力墙结构、剪力墙结构，可把在楼层边端部位的剪力墙纵、横向连成一体，形成L形、T形和口字型，使其有较好的抗扭刚度。

在结构布置中，应特别注意具有很大侧向刚度的剪力墙或钢筋混凝土核心筒的位置，力求在平面上对称，不宜偏置于建筑的一边，也不宜将钢筋混凝土筒体放置在建筑主体之外。例如楼梯间，尽量在平面图上对称或居中布置[3]。

3.2.3 平面不规则结构加强措施。角部重叠或细腰形的建筑，在中央部位形成狭窄部位，在地震中容易产生震害，尤其是在凹角位置，因为应力集中容易使楼板开裂、破坏。在这些部位应采取加大楼板厚度、增加板内配筋、设置集中配筋的边梁等方法加强。

楼板在开洞削弱之后，宜加厚开洞附近的楼板厚度，并且双层双向配筋，洞口边缘可以设置边梁或暗梁，在楼板洞口角部可以设置斜向钢筋。

3.3 竖向不规则解决方案及加强措施

造成竖向不规则的根本原因是建筑方案，比如大底盘建筑、楼层收进、底层抽柱抽剪力墙等，一般的解决方案是加强软弱层抗侧力构件的刚度，使该层的侧向刚度满足规范要求，不致产生竖向不规则。

底层或底部若干层取消一部分框架柱或剪力墙造成的刚度突变，一般应加大落地剪力墙的厚度或落地框架柱的尺寸，并提高这些楼层的混凝土强度等级，剪力墙和框架柱应加强配筋；部分收进的楼层，加强方式类似，加大这些楼层的框架柱、框架梁、剪力墙截面并加大配筋。除了加强竖向构件外，还应加大楼板的水平刚度，以保证各抗侧力构件之间能够可靠传递水平力。

4 结束语

综上所述，为了减小结构设计中的不规则性危害，结构设计人员首先应判断是否有必要设置防震缝，然后再总体布局，合理布置结构件，加强软弱、薄弱部位，尽量使结构指标满足规范要求，使结构不存在不规则项。当存在不规则项时，设计人员再做补救加强措施，优化受力传力，使结构设计能最好的满足业主需求。