竖向不规则建筑结构概述

2015-07-13罗中皓

城市地理 2015年7期

罗中皓

摘要：介绍了3种建筑结构竖向不规则——竖向强度、刚度和质量不规则的定义、内容及其在规范中的相关规定，给设计人员提供参考。

1结构竖向不规则的定义

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。

建筑结构的竖向不规则是与结构竖向规则相对而言的。从力学角度上讲，那就要考虑一个建筑结构体系是如何传递地震作用的过程。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。如图1所示，可以把建筑结构等效为由若干个链扣组成的链体系，只有链扣之间有足够且有效的连接才可以把整个结构串联起来，形成一个有效的结构整体。当其中某一个或若干链扣体系出现间隙或缺陷，都可能会导致结构传力路径的中断，在中断的位置附近会产生较大的塑性变形与应力集中，因而可能导致整个结构的失效。

2结构竖向不规则的分类

建筑结构竖向不规则的类型有很多，各国相关规范都对其进行了相关的限定，如承载力突变、刚度突变、楼层突出等。归根结底，竖向不规则的类型主要是从强度、刚度与质量上去划分。

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，如图2所示。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，如图3所示。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。

3 我国规范对竖向不规则的相关说明：

对于竖向不规则的设计，以下整理并给出了我国规范的相关规定，供有关设计人员参考。我国对竖向布置不规则结构做了很多规定和限制，这些规范主要包括《建筑抗震设计规范》2010版（简称《抗规》）[1]和《高层建筑混凝土结构技术规程》2012版（简称《高规》）[2]。两者对比和总结如表1所示。同时，在《高规》中给出了楼层质量之比不超过1.5的规定。