平面不规则结构抗震设计策略探究

李晶晶 （安徽建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 前言

随着建筑行业施工技术发展，平面不规则结构建筑物越来越受到重视，可有效提升建筑物的美观性，对其进行结构设计，提升安全性能至关重要。实践表面，平面不规则结构遇到地震灾害时，不仅出现水平方向或竖向振动，而且存在扭转振动问题，对其抗震等级进行优化设计，可提升建筑整体质量。

1 平面不规则结构相关概念界定

1.1 质量偏心

质量偏心主要指楼层每一部分在构件截面的尺寸上存在差异，使得各处质量不均匀。这种质量偏心问题也存在于质量系统结构中，造成这一问题出现的主要原因是建筑施工材料性能和质量上存在差异，并且相关材料在具体使用环节受到未知因素影响较大。实践研究中，若将建筑物中平面不规则结构自重看成随机变量，则通过概率分布的知识可得到以下结论：即权衡质量分布不均匀造成的建筑平面偶然偏心朝向应与地震作用力方向相互垂直。

1.2 强度偏心

不规则平面强度问题在实际工作中，容易被忽略。在抗震设计中，应考虑构件在不同条件下的屈服强度。正是由于实际屈服期间，平面不规则结构的强度经常发生变化，使得相关数值确认存在一定难度，因此，在建筑物抗震设计中，应对质量偏心和强度偏心等要素进行控制。具体设计中，建筑物配筋方案选择、构造环节要求和材料使用标准等问题均会影响实际屈服强度。

1.3 刚度偏心

对刚度定义应区分名义刚度与实际刚度。名义刚度偏心主要是在理想模型的设计中，对构件截面尺寸、弹性模型进行计算得到的数值。而实际刚度偏心则主要是对建筑施工后，不规则结构的荷载分布与位移比值。实际上，对刚度的计算受到建筑材料性能、施工稳定性和工艺技术等方面因素影响，对其进行明确计算较为困难，因此引入刚度偏心概念，对平面结构刚度出现的变化进行分析。

2 某平面不规则结构抗震设计方法

2.1 项目简述

该平面不规则高层建筑为民用住宅楼，以剪力墙结构为主要构造，建筑整体面积达到2万m，建筑物分为地上与地下结构，其中地上26层，地下两层。地下设计为储藏室与车库，地上一层为物业办公室和储存空间，地上2层以上部分作为民用住宅。项目整体结构满足2级安全等级，属于50年使用年限，并且抗震设防烈度等级为7度，基本地震加速度为0.10g，建筑工程抗震设防种类满足丙类标准。

2.2 设计方案

在不规则平面结构抗震设计中，相邻结构碰撞造成的地震灾害相对常见，应设计防震缝，倘若缝隙宽度较小，会造成结构遭受破坏。目前，在项目设计中，应结合地基基础，对设计方案进行调整，使得不规则结构设计更加合理，满足结构抗震要求。值得注意的是，在外观复杂、平面不规则的建筑中，应结合实际情况对防震缝进行设计，使得相关指标达到防震标准。

针对项目施工而言，应结合平面不规则建筑的复杂水平，对方案进行优化设计，在本质上提升建筑物的抗震等级。抗震设计方案主要包括以下两种：其一，是设置缝隙，不规则平面结构划分为规则平面；其二，不设置缝隙，以平面不规则结构的种类和特征为出发点，制定合理技术方案。在抗震方案设计中，应权衡几方面内容：考虑施工现场实际情况影响，通过不设缝方案应用，使得抗震方案应用与建筑物本身相协调，增加建筑物防震标准，结合抗震灾害等级等相关要求，当建筑物高度达到100m，超过建筑标准，防震缝隙设计值应超过标准推荐值，使得建筑物本身性能获得提升。

抗震设计中，应对平面不规则结构特征进行评估。在本项目评估中，对建筑物得到规则性进行研究，应考虑建筑本身受到的地震作用力。具体设计过程中，也权衡了偶然偏心，对建筑物外观特征进行明确，发现其位移比值在1.18，小于1.20这一限值，在整体上，将该建筑项目界定为平面不规则结构。同时，考虑到结构平面凹陷50%，超过规则平面典型宽度35%。并且该建筑结构中，其楼板的有效宽度达到平面典型宽度的45%，与平面典型宽度存在较大差异，因此，楼板局部呈现出不连续特征。方案设计中，也充分考虑了竖向规则方面内容，对建筑物竖向结构间断、承载力和刚度等数值进行严格要求，并且结合行业最新标准，对不规则建筑防震设计标准进行明确，使得建筑本身更加安全可靠。

2.3 结构计算

根据平面不规则结构抗震设计要求，对建筑结构中的主要参数进行计算，参考不同结构面的特征，设计相关计算步骤。为提升计算精准度，选择应用了最新技术软件PMSAP，对结构整体进行计算；而针对项目弱连接部位，例如，楼板局部应力，使用了ETABS软件，对相关计算模型进行明确。

在实际计算过程中，应充分考虑地下楼顶版和以上嵌固端，并且关注偶然偏心和双向地震作用对整个计算过程的影响，对建筑物的整体抗震等级进行核算。针对本项目设计进行考察，发现不规则结构连接刚度存在一定折减系数。周期折减系数分别为28、0.7、和0.9。建筑物一般指标明确如下：梁、板混凝土等级为C30；墙、柱混凝土强度等级为C45～C30，整体结构抗震等级为3级。

对本项目中，平面不规则结构计算结果明确如下：由于地震作用力影响，相关结构出现水平方向、竖直方向以及扭转变形，对其不同环节的周期值进行计算。其中水平方向周期值为2.48s，竖直方向为2.56s，扭转作用发生周期为2.20s，对该建筑物的结构周期比进行计算，其数值为0.88，不超过限定值0.90，因此，本项目不规则结构建筑具有较强的抗震性能。

研究过程中，也对建筑物的抗扭转刚度进行明确，水平方向和竖直方向的刚度值分别为5.88和4.65，相关数值符合建筑物设计标准规范，可忽略由此发生的重力二阶效应。考虑到地震作用力影响，应对水平方向位移最大值进行明确，根据实际测量结果，其位移最大值为1/1200。以建筑楼层14层为测量点，对竖向最大位移值进行分析，结果为1/1150，并且对水平方向和竖直方向的弯曲变化进行分析，相关结果在理论上符合剪力墙结构受力特征，在结构上具有一定的抗震强度。

针对平面不规则结构而言，受到地震作用力影响，建筑物本身会在凹角位置发生集中变形，使得楼板出现损坏，影响结构整体安全性。对其进行抗震设计与研究具有重要意义，可预防其局部破坏或坍塌，是目前建筑安全设计的重要组成部分。本项目，在设计过程中，增加了两侧单元结构的刚度与强度，对相关质量偏心问题进行研究，使得不规则结构建筑在整体上趋向稳定性。同时，考虑到地震造成的扭转作用力较大，在具体设计中，增加了抗扭转防护措施，使得局部连接构件的抗震性能提升。总之，在建筑物结构设计中，应用了先进理念和方法，出于建筑物本身安全性考虑，对建筑材料使用标准、构件刚度要求和质量等相关参数进行严格要求，同时，强化平面不规则结构抗震设计薄弱环节。

3 结论

综上所述，在平面不规则结构抗震设计中，应结合项目实际情况，对抗震设计方法进行明确，同时完善设计方案，做好建筑物结构计算，使得抗震设计更加规范合理。研究表明，在平面不规则建筑中，扭转作用力使得建筑结构的抗震性能明显减弱，应考虑建筑结构强度、刚度和质量偏心问题，保证结构主体安全性与稳定性，达到理想的抗震性能。