平面不规则结构抗震设计策略探究

梁兴涛

（山西五建集团有限公司，山西 太原 030013）

1 平面不规则结构相关概念界定

1.1 质量偏心

平面不规则结构设计中，质量偏心属于其中重要设计概念，主要是指不同楼层中每一部分的构件截面均存在尺寸设计方面的偏差，而此偏差的出现会致使质量水平不一致[1]。一般而言，此种质量偏心类状况主要体现在建筑时的材料质量以及性能差异两方面，且在材料使用之时，极易受到未知因素的限制，而影响材料使用的抗震效果[2]。此外，当视建筑物内平面不规则自重为随机变量时，那么按照概率分布规律能够得出：受权衡质量分布均衡度不高限制，建筑平面偶然重心会随之与地震作用力方向处于垂直朝向。

1.2 强度偏心

据相关统计资料显示，超出70%以上的不规则平面强度会在建筑的设计及施工中被忽视，那么开展建筑抗震设计工作时，就一定要做好不同构件在不同条件设定下的屈服强度数值。当开展屈服数值确认时，设计人员需总结出平面不规则结构强度变化的规律，促使数值确认的结果能够更具精确性[3]。为了完成上述工作目标，设计人员就必须围绕建筑的质量以及强度偏心做好统计和管控工作，且在设计细节整理时，需对建筑物的配筋、构造、材料选取等多个环节进行标准设定和确认，避免影响后续的建筑屈服强度，从而提升建筑抗震设计质量。

1.3 刚度偏心

建筑设计及施工过程中，刚度是一项十分关键的参数值，对于建筑本身的强度以及抗震能力提升具有极大的影响[4]。目前建筑设计中，针对刚度进行定义时，需要从两方面展开，其一是实际刚度偏心，其二是名义刚度偏心。前者主要是指建筑项目施工完成后，不规则建筑结构的具体荷载分布情况与详细的位移比值，而后者则主要是指设计阶段的理想模型之内，针对构件的弹性模型以及构件截面尺寸进行精确计算，所得出的设计数值[5]。此外，针对平面不规则建筑进行刚度设计时，还会受到建筑材料的性能差异、工艺流程技术操作差异以及施工稳定性变化等因素的影响，所以在设计阶段就刚度进行设计时，难度较高，而刚度偏心概念的融入，可以进一步降低设计难度，为抗震设计质量提升起到帮助。

2 常见平面不规则结构抗震设计应用

2.1 四周布置剪力墙

相关技术人员在经过对大批量的数据进行调查和分析之后能够发现，当地震灾害发生时，建筑体在地壳震动的影响下，其质量位置以及原有结构空间很容易在地震影响下而出现不确定性，尤其是建筑体的角柱，在地震灾害中，极其容易受到损害，继而影响建筑后续居住使用的安全性和稳定性。造成上述问题形成的原因，主要是建筑体的角柱地震影响下出现了质量中心和刚度中心偏离情况，即前文中提到的质量偏心和刚度偏心问题，但同时在此类状况出现以外，建筑整体结构也会于此基础上出现扭转反应。面对此类状况进行处理时，就需要技术人员针对经历地震的建筑体进行角柱的结构扭转，其间可以在角柱周边额外增设剪力墙，促使提升结构在扭转反应下对抗由于地震灾害所导致的角柱扭转力，继而提升建筑地震后的抗扭转力和主体刚度。

2.2 中心支撑、偏心支撑

目前，为了进一步降低建筑体经历地震后所出现的损毁率，技术人员需要全面做好建筑的中心和偏心支撑处理工作。现阶段，建筑设计中比较常见的支撑方案就是双重抗侧力体系，其中包括两种体系类型，分别是框架体系和中心支撑体系。两种支撑体系应用下，均可显著提升建筑体的抗侧刚度，促使建筑体在地震来临时可以高度预防非结构构件出现损毁类问题。此外，在建筑的弹性设定方面，为了进一步抵抗地震所带来的不良影响，设计人员工作期间必须深刻认识到偏心支撑钢筋混凝土框架的价值，才能促使该框架在建筑体抵抗地震破坏期间的抗侧刚度最大化发挥出来，同时也可利用结构本身所携带的非弹性变形功能，高效控制建筑支撑和耗能端支撑梁的变形度，将其变形损害降至最低。

2.3 引入削能减震设计

进行建筑体的抗震设计工作时，工作人员必须在建筑结构之中提前放置一定数量的消耗地震能量的设备，如此才能在地震出现之时，将建筑结构体系的尼系数增加，同时地震能量消耗装置的应用，也可在一定程度上将地震对于建筑既有结构的破坏性降至最低。与此同时，当建筑体所遭遇的地震等级比较高时，那么提前安装的削能减震装置，会自动根据地震情况转入弹塑性状态中，使得地震的能量被最大程度地消耗掉，促进建筑抗震性能的有效优化。现阶段，建筑抗震设计中所应用的削能减震装置的类型上，主要包括4种，分别是摩擦阻尼器、黏性流体阻尼器、属屈服阻尼器和黏弹性阻尼器。另外，与传统的建筑体加固处理技术相比较，将削能减震设计方案应用到平面不规则结构抗震设计中，还可以充分发挥出以下优势：首先是能够实现无湿作业，使得原有建筑的正常使用功能不受到设计及施工处理的影响。其次是在不改变建筑外观基础上提升抗震性能，降低建筑的平面不规则结构抗震设计及施工成本；再次是施工周期更短，提升抗震设计及作业能效。最后，可以进一步满足不同需求下的建筑防震等级要求，优化建筑体抗震性能的同时，适宜性更强。

3 实际项目中的平面不规则结构抗震设计方法

3.1 项目简述

某平面不规则高层建筑属于民用住宅，其建筑结构主要以剪力墙为主，建筑面积为20000m2。在建筑结构分层设计上，主要以地下+地上两种结构，其中，住宅地上建筑层数为26层，地上一楼设计为住宅物品存储空间和物业办公室，地下一层的使用功能设计为车库。某项目的整体结构安全等级，设计为Ⅱ级，其中抗震防烈度设计为Ⅶ级，且基本地震加速度设定为0.10g，设计建筑整体使用年限为50年，满足丙类建筑的抗震设计标准。

3.2 设计方案

一般而言，平面不规则建筑项目抗震设计过程中会以不同的形式呈现。其中，地震灾害在呈现形式以相邻结构碰撞为主。据统计，此类碰撞灾害的发生率高居地震灾害前列，占比65%以上。为了进一步预防此类灾害出现，建筑抗震设计时应该重点做好防震缝的设计，借此避免因防震缝宽度较低而导致建筑结构随之遭受更大的破坏。在上述基础上，为了显著提升平面不规则建筑抗震设计质量，就必须针对现有的设计方案做好相应的调整工作，具体而言应该从以下两方面着手推进。

3.2.1 优化结构设计

对于本次工程施工项目而言，想要进一步提升建筑的整体抗震设计质量，针对既有的方案加以优化十分有必要，借此提升建筑物原本的抗震等级，提升安全性[6]。在设计方案的选择上，目前设计人员主要给出了两项方案，第一项是做好缝隙设置工作，将不规则的建筑平面划分为规则性平面；第二项方案是不做缝隙设置工作，充分围绕平面不规则的种类以及特征为核心点展开设计工作，借助科学且合理的技术结合实现设计质量的提升。但无论哪种设计方案应用，均需同步做好建筑本身的抗震设计工作，即权衡利弊做好下述工作内容。

设计人员进入项目施工现场进行实况调查，根据现状状况，本次项目抗震设计未超出100m不规则部分，选择了不设缝隙结构设计方案，促使抗震设计能够更适用于建筑本身的使用功能，提升两者之间的协调性，并进一步优化建筑的抗震水平及标准。对于建筑超出100m不规则部分，则需要选择设置缝隙方案，且缝隙的设计值需超出规定的标准推荐数值，借此提升建筑物本身的性能及抗震效果。

此外，设计人员还需重点针对本次项目中不规则建筑部分进行结构特点评估，不仅需结合建筑本身能够承受的地震作用力极限值，同时还需做好偶然重心的权衡工作，其间，设计人员针对某住宅项目进行地震作用力调查发现，其位移比值为1.18＜某住宅位移比值＜1.20。据此，设计人员决定将建筑物评估为平面不规则结构。在调查中还发现，某住宅的结构平面凹陷已经达到50%，而超出规则平面的典型宽度也已经达到了35%，楼板的有效宽度为平面典型宽度的45%左右，上述调查数据的得出，充分表明，某住宅建筑物不符合平面典型宽度，尤其是在局部楼板的调查中发现，其呈现出了连续性的不规则特征[7]。据此，进行抗震结构方案设计时，设计人员认为，还需全面结合建筑物本身的竖向规则制定更加完善的抗震方案，且需重点控制本次施工建筑物的承载力、刚度以及竖向结构间断，并与当前最新的行业标准相对比，最终确保建筑整体更具使用安全性，为用户入住创设一个良好且可靠的居住环境。

3.2.2 做好结构计算

本次项目施工中，需要按照平面不规则结构抗震设计的实际要求，充分做好建筑具体结构的相关参数计算工作，为了提升计算结果的精准度，本次某住宅项目施工选用了PMSAP技术软件，就住宅的整体结构进行了参数计算，包括楼板的局部应力，得出了相应的计算模型。计算之时，设计人员需就地下楼顶板及以上嵌固端的参数进行重点测量和统计，并做好双向地震作用及偶然偏心对于计算结果的影响控制。结构计算完成后，主要得出如下结果。

（1）在地震作用力影响下，建筑的结构很容易出现诸如竖向、水平或是扭转变形一类的状况，此时设计人员需对不同环节的周期值进行对应的计算。本次某住宅项目结构的计算结果如表1所示。

表1 某住宅项目结构计算结果

（2）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。

（3）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。本项目设计过程中，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[8]。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。

4 结语

综上所述，进行平面不规则建筑的抗震设计时，作为项目设计方，必须进入施工现场做好实况勘察，且对于设计方案的执行流程也需加以明确。与此同时，设计人员还需就现有的地质实况进行抗震设计方案的完善，促使所经手的项目抗震设计结果能够更具规范性与合理性，从而更好地借助扭转作用优化平面不规则建筑的抗震性能，最终提升刚度及建筑结构强度，实现建筑抗震水平的提升。