对现代建筑结构设计中不规则设计的探讨

杜中华 陈顺昌

摘要：在现代城镇建设中，不规则的建筑结构往往是不可避免的，而且正是这些造型新颖别致的不规则建筑物，给居住环境带来气象万千、别具一格的人文景观。因此，对不规则结构不应一味地拒绝，而应当趋利避害。只要深入领会规范的精神，抓住优化设计方案，合理选择计算方法和计算参数，认真分析薄弱部位和地震力调整，强化抗震构造措施等设计环节，就能使不规则结构的设计问题迎刃而解。

关键词：建筑结构设计；不规则设计；探讨

中图分类号：TU2文献标识码： A

随着我国经济实力和科学技术水平的大幅提升，人们思想观念的不断更新，严格意义的规则建筑已经很难见到，代之而起的是大批新颖别致、标新立异、张显个性的建筑物。各地大量涌现的现代新型建筑物几乎都是不规则或很不规则的，它们的出现既给城镇建设带来了崭新的面貌，又给工程设计人员提出了严峻的挑战，如何按照规范精神，进行不规则建筑结构的抗震设计与计算分析，成为工程设计中必须解决的重要课题。

一、关于不规则程度的分类

1.规则的建筑结构应满足两个条件

（1）位移比、周期比、刚度比、承载力比等参数均满足规范“不宜”的要求；

（2）不具备以下4类不规则结构的特征。即：平面不规则结构、竖向不规则结构、复杂高层结构、超规范结构。

2.三类不规则结构

（1）一般不规则结构，第一、位移比>1.2，且A级高层建筑<1.35，B级高层建筑<1.3；第二、承载力比<0.8，但A级高层建筑>0.65，B级高层建筑>0.75；第三、超过平面或竖向不规则的某一项指标，且超过不多；第四具有某一种复杂高层结构类型（如带转换层、带加强层、错层、连体、多塔等）。

（2）特别不规则结构，第一、位移比>1.3，且A级高层建筑<1.5，B级高层建筑<1.4；第二、周期比A级高层建筑>0.9，B级高层建筑>0.85；第三、承载力比A级高层建筑<0.65，B 级高层建筑<0.75；第四、同时有两项超过平面或竖向不规则指标，或某一项指标超过限值较多；第五、同时具有两种复杂高层结构类型（如带转换层、带加强层、错层、连体、多塔等）；第六、具有高位转换、复杂错层或连体、偏置多塔、厚板转换等特别复杂结构。

（3）严重不规则结构，第一、位移比、周期比、刚度比、承载力比等多项参数不满足规范要求或无法计算；第二、体形复杂，平面、立面极不规则，多项指标超限，或一项指标大大超限；第三、同时具有3 种以上的复杂高层结构类型，（如带转换层、带加强层、错层、连体、多塔）；第四、属于某种超规范结构（超高、超限、新型）。

应当指出，以上不规则建筑结构的分类不是严格意义上的，而是大致的划分。设计人员应当根据工程的实际情况，实事求是，区别对待。例如，通常比较规则的建筑结构对抗震有利，但也不能一概而论，如没有剪力墙的高层框架结构、单跨框架结构、板柱- 框架结构，虽然其平面立面布置可能是很规则的，但仍属于抗震不利结构，在设计时应尽量避免采用这类结构，或采取特殊的抗震措施。

二、关于控制参数分析

为了对建筑结构的不规则性进行评测、分析、控制，规范提出了一些重要的控制参数。下面以设计单位广泛应用的通用限元分析软件SATWE为例，介绍这些参数的含义、限值及调整要求。

1.位移比(层间位移比)，是指按刚性楼板假定计算楼层的最大水平位移（或层间位移）与该楼层两端平均水平位移（或层间位移）的比值。位移比是控制结构平面不规则性的重要指标。规则结构的位移比不宜大于1.2，不规则结构的位移比A级高层建筑不应大于1.5，B级高层建筑不应大于1.4。SATWE 软件可以分别输出考虑单向地震、双向地震、偶然偏心影响的位移比，供设计人员选用。位移比的计算及调整应结合工程实际进行，例如，当楼层最大层间位移角的绝对值很小时，考虑偏心影响的位移比限值可以适当放松。

2.周期比，是结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期Tl之比。周期比是控制结构扭转效应的重要指标。控制周期比的目的是控制结构扭转变形要小于结构平动变形，控制地震作用下结构扭转激励振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。结构的周期比A级高层建筑不应大于0.9，B级高层建筑和复杂高层建筑不应大于0.85。SATWE 软件不能自动计算输出周期比，需要设计人员根据计算结果及各振型特征自行判断计算。周期比不满足要求，主要通过改进结构设计方案，加强周边主体结构，弱化内部主体结构，提高结构抗扭刚度来解决。

3.侧向刚度比，是相邻楼层间侧向刚度的比值，它是控制结构竖向不规则的重要指标。结构某楼层的侧向刚度不应小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。刚度比不满足要求，说明该竖向不规则结构出现薄弱层，该层地震剪力应乘以1.15的增大系数。SATWE 软件可以自动计算各楼层的刚度比，并对刚度比不满足要求的薄弱层放大地震剪力。

三、关于不规则高层建筑结构设计中采取的措施

1.目前，在工程设计中应用的多数计算分析方法和计算方法，都假定楼板在平面内下变形，平面内刚度无限大，这对于大多数工程来说是可接受的。

（1）当楼板有大的开洞时，楼板在平面内消弱过大，楼板产生显著的变形，这时刚性楼板的假定不再适用，要采用考虑楼板变形影响的计算方法和相应的计算程序。考虑楼板的实际刚度可以采用将楼板等效为受弯水平梁的简化方法，也可将楼板划分为单元后采用有限元法进行计算。中国建筑科学研究院PKPM工程部研制的SATWE软件(2000年12月版)可以考虑柔性楼板的假定。当楼板平面过于狭长、有较大的凹人和开洞而使楼板有过大消弱时，应在设计中考虑楼板变形产生的不利影响。楼板凹和开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半，楼板开洞总面积不宜超过楼面面积30%，在扣除凹和开洞后，楼板在任一方向的最小静宽度不宜小于5m ,且开洞后每一边的楼板静宽度不应小于2m。

（2）角部重选和细腰的平面图形，在中央部位形成狭窄部分．在地震中容易产生震害，尤其在口角部位．因为应力集中易使楼板开裂、破坏这些部位应采用加大楼板厚度，增加楼板配筋，设置集中配筋的边梁，配筋45度斜向钢筋等加强措施。

2.高层住宅建筑常采用井字形平面，以利于通风采光，而将楼梯间、电梯间集中布置于中央部位。当中央部位楼电梯间使楼板过分消弱时．此时应将楼电梯间周边的剩采楼板加厚，并加强配筋。外伸部分形成的口槽宜设置连接梁或连接板，连接粱宜宽扁放置并增多配筋，连接梁和连接板最好每层设置。

（1）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规则的结构时，宜设置防震缝将其划分为较简单的几个结构单元。这一点在结构的方案设计时有非常重要的指导意义。抗震缝两恻结构体系不同时，抗程缝宽度按不利的体系考虑，并按较低一侧的高度计算确定缝宽。抗震缝应沿房屋全高设置，基础及地下室可不设置抗震缝，但抗震缝处应加强构造和连接，当相邻结构的基础存在较大沉降时，宜加大抗震张家缝的宽度。8、9度框架房屋抗震缝两侧结构高度、刚度或层高相差较大时，可在缝两侧房屋的尽端沿全高设置垂直于抗震缝的抗震墙，每一侧抗震墙的数量不应少于两道，宜分别对称布置，墙肢的长度可不大于一个柱距，框架和抗震墙的内力应按考虑和不考虑抗震墙两种情况分别进行分析，并按不利情况取值。

（2）抗震墙在抗震墙端的边柱箍筋应沿房屋全高加密。历次震害表明，结构刚度沿竖向突变、外形外挑内收等，都告产生变形在某些楼层的过分集中，出现严重震害甚至倒塌，所以设计中应力要求自下而上刚度逐渐、均匀减少、提型均匀不突变。1995年日本阪神地震中，大阪和神户市不少建筑物产生中部楼层严重破坏的现象，其中一个原因就是结构刚度在中部楼层产生突变有些是柱截面尺寸和混凝土强度在中部楼层突然减小。有些是由于使用要求而剪力墙在中部突然取消，这些都引发楼层刚度的突变而产生严重震害。由此可见，结构的不规则拥有非常广泛的内容，像斜向抗侧力结构、不对称结构等均属于不规则结构。而抗震设计规范中所规定的只是主要的几种类型，这里需特别指出的是质量不规则类型，希望能够引起广大设计人员的注意。

建筑设计规范明确要求，建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，建筑结构不规则性的判断，在建筑结构设计中占有非常重要的地位。因为对建筑结构不规则性的判断，能直接影响到结构的建模、结构布置、薄弱楼层的判断、位移比的控制，以及最后的施工图设计，从而影响到整个的结构布置是否台理、安生、经济等。

参考文献：

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