特别不规则框架结构的设计实例

张 成

(上海新鸿基威万房地产有限公司，上海 200020)

1 概述

在结构设计中，合理的建筑形体和布置对抗震是非常重要的。根据GB 50010—2010建筑抗震设计规范条文3.4.1说明：特别不规则的建筑方案，包括“同时具有本规范表3.4.3所列六个主要不规则类型的三个或三个以上”。该规范3.4.3中的六项不规则为：扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续、侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变。本文分析论述的实例为具有上述以及其他类似不规则类型3个以上的特别不规则框架结构。

2 设计实例一

本例所分析论述的工程案例为上海地区某新建运营总部的多层综合楼建筑单体。

2.1 工程概况

综合楼为平面呈“L”形的5层建筑，总建筑面积8 088 m2，建筑占地面积为：2 329 m2。建筑平面轴线尺寸为95 m×38 m，东西长95.4 m，南北向长37.8 m，并向南悬挑3.5 m。柱距为6.6 m，13.2 m，9 m，10 m和8 m，跨度8 m+10 m。底层层高为5.15 m，2层、3层层高均为4.5 m，4层、5层层高均为4.2 m。东西长度方向由2层突变为5层，5层区域中部有3层局部架空。1层～5层主要功能为办公室及物流管理用房。建筑室外地坪至最高屋面的高度为23.2 m，室外地坪到女儿墙高度24.0 m，室内外高差0.45 m。综合楼建筑效果图如图1所示。

2.2 结构抗震概念设计和技术参数

因东西向超长，综合楼中间设一道宽为100 mm的伸缩缝兼作防震缝，将左侧2层和右侧5层隔开，左侧结构平立面规则，右侧结构平面特别不规则。因此本文仅讨论右侧不规则模型的设计分析。

右侧区域总体呈L形布局，为5层钢筋混凝土框架结构。

抗震技术条件：结构抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g；特征周期为0.9 s，设计地震分组为第一组；建筑物抗震设防等级为丙类标准设防类；混凝土结构抗震等级为三级。电算中主要参数选用：偶然偏心：考虑；双向地震：考虑；计算振型个数：15个；周期折减系数：0.7。

结构主要材料：混凝土强度等级：1层柱C40，2层柱C35，其余均C30；钢筋级别HRB400。

1层～3层框架柱主要截面为800×800，4层～5层框架柱主要截面为600×600。

2.3 计算分析

2.3.1 计算模型建立

计算软件选用：上部结构采用《盈建科建筑结构设计软件》(YJK-A)进行受力分析。基础部分采用《盈建科基础设计软件》(YJK-F)进行计算。楼梯部分采用《理正结构设计工具箱软件》进行计算。

运用盈建科结构设计软件进行建模并分析。2层平面布置示意图如图2所示，结构立面模型如图3所示。

2.3.2 结构性能计算结果

上部结构采用《盈建科建筑结构设计软件》(YJK-A)进行受力分析，以下仅提供对此单体较有代表性的计算结果：

1)首层的侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者，Ratx1= 1.140 0；Raty1=1.084 7。比值均大于1，侧向刚度规则；

首层与上一层的承载力之比，Ratio_X=0.92；Ratio_Y=0.89。比值均大于0.8，楼层承载力不存在突变。

2)第一振型周期为 1.077 1 s，平动系数为0.96(X)，大于0.9；

第二振型周期为 1.028 7 s，平动系数为0.99(Y)，大于0.9；

第三振型周期为 0.961 3 s，平动系数为0.05；

第1扭转周期(0.961 3)/第1平动周期(1.077 1)=0.89，小于0.9。

3)最不利地震作用方向下的层间最大位移角为1/604，小于1/550；

最大层间位移与平均层间位移的比值，在Y+规定水平力作用下，为1.20，较规则。

2.4 结构不规则分析判断及加强措施

2.4.1 建筑结构抗震不规则分析

根据上述建筑空间及结构布置，对照GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)规则性判定条款，本建筑结构单元的规则性情况分析如下：

1)⑨轴～⑩轴处1层～3层架空，立面开洞形成连体结构。

4)最大层间位移与平均层间位移比大于1.2，属于扭转不规则。

2.4.2 针对上述不规则情况采取的加强措施

2)针对楼板局部不连续。1层及2层门厅大开洞周边范围楼板板厚由110 mm增大至130 mm，并满足最小配筋率0.25%。

3 设计实例二

本例所分析论述的工程案例为上海地区某新建的多层汽车试验楼建筑单体。

3.1 工程概况

该建筑为地上4层、地下1层的汽车试验楼。占地面积为8 834 m2；建筑面积为47 417 m2。建筑平面中部设有通高中庭，平面呈“回”字布置。建筑平面轴线最大尺寸约为134.2 m×81.2 m，主要柱网8.4 m×9.0 m，9.0 m×9.0 m。1层层高7.95 m、2层层高6.05 m、3层层高4.2 m，4层层高4.2 m，地下室层高6.1 m。

地上1层，2层主要布置有各类测试试验室。地下室顶板主要均布活荷载标准值为5 kN/m2和10 kN/m2。2层楼面主要均布活荷载标准值为10 kN/m2。3层、4层布置有生产车间、测试室等房间。其主要均布活荷载标准值为3 kN/m2。大屋面设置上屋面楼梯间及电梯机房。考虑暖通、给排水太阳能板等设备基础，其主要均布活荷载标准值为2.5 kN/m2。地下室主要为停车库、试验室、配套设备用房等。

上部结构采用钢框架结构体系，楼面采用钢筋桁架混凝土楼层板，地下室采用钢筋混凝土框架结构体系，上部钢柱延伸至地下室底板顶面。基础采用桩、独立承台+防水板，桩采用PHC500预应力管桩，桩长23 m，以⑦1-1层草黄色黏质粉土为桩端持力层；场地无液化问题。结构分析中以地下室顶板为上部结构计算嵌固端。

试验楼方案鸟瞰效果图如图4所示。

3.2 结构抗震概念设计和技术参数

钢框架结构东西方向及南北方向均不超长，不需设置伸缩缝，因此该建筑作为一个整体进行建模分析。

抗震技术条件：结构抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g；特征周期为0.9 s，设计地震分组为第2组；建筑物抗震设防等级为丙类标准设防类；钢结构抗震等级为四级。电算中主要参数选用：偶然偏心：考虑；双向地震：考虑；计算振型个数：程序自动确定，振型参与质量系数需达到总质量的百分比：90%；周期折减系数：0.8。

结构主要材料：基础混凝土强度等级为C40，钢筋级别HRB400，梁、柱均采用Q355B。

3.3 计算分析

3.3.1 计算模型建立

计算软件选用：上部结构采用《盈建科建筑结构设计软件》(YJK-A)进行受力分析。钢结构节点采用探索者MTS工具箱进行计算。基础部分采用《盈建科基础设计软件》(YJK-F)进行计算。楼梯部分采用《理正结构设计工具箱软件》进行计算。

运用盈建科结构设计软件进行建模并分析。试验楼2层结构钢梁平面示意图如图5所示。

地下室混凝土框架柱主要截面为矩形1 200×1 200(上部钢柱延伸至地下室底板顶面)，1层框架柱主要截面为箱型650×650，2层框架柱主要截面为箱型500×500，3层～4层框架柱主要截面为箱型400×400。

3.3.2 结构性能计算结果

上部结构采用《盈建科建筑结构设计软件》(YJK-A)进行受力分析，以下仅提供对此单体较有代表性的计算结果：

1)地下1层与地上1层X方向刚度比为118.9；Y方向刚度比为87.617 4。比值均大于2，满足地下室顶板作为上部结构的嵌固部位要求。

2)1层的侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者(上海地区采用剪切刚度)，Ratx3=0.951；Raty3=0.951。比值小于1，侧向刚度不规则；首层与上一层的承载力之比，Ratio_X=1.27；Ratio_Y=1.27。比值均大于0.8，楼层承载力不存在突变。

2层的侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者(上海地区采用剪切刚度)，Ratx3=1.049；Raty3=1.049。比值均大于1，侧向刚度规则；2层与上一层的承载力之比，Ratio_X= 1.23；Ratio_Y=1.23。比值均大于0.8，楼层承载力不存在突变。

3)第一振型周期为1.456 6 s，平动系数为0.97(X)；

第二振型周期为1.374 3 s，平动系数为0.89(Y)；

第三振型周期为1.282 7 s，平动系数为0.15；

第1扭转周期(1.282 7)/第1平动周期(1.456 6) = 0.88，小于0.9。

4)最不利地震作用方向28.75°下的层间最大位移角为 1/318，小于 1/250；

最大层间位移与平均层间位移的比值，在Y+偶然偏心规定水平力作用下，为1.27，大于1.2，平面扭转不规则。

3.4 结构不规则分析判断及加强措施

3.4.1 建筑结构抗震不规则分析

根据上述建筑空间及结构布置，对照GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)规则性判定条款，本建筑结构单元的规则性情况分析如下：

1)在考虑偶然偏心的规定水平力作用下，结构扭转位移比最大值大于1.2，存在扭转不规则。

2)2层～屋面(连续3层以上)中庭楼板开洞后，有效楼板宽度小于相应楼板典型宽度的50%，其中2层中庭及试验所开洞后有效楼板宽度小于该层典型宽度的40%(约为34.6%)，存在个别层有效楼板宽度偏窄的不规则。属于较严重的楼板局部不连续。

3)1层的侧移刚度与上一层相应侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者(上海地区采用剪切刚度)，Ratx3=0.951；Raty3=0.951。比值小于1，侧向刚度不规则。

3.4.2 针对上述不规则情况采取的加强措施

1)针对扭转不规则。扭转位移比最大处出现于建筑西北角。在满足建筑及试验室使用要求的前提下，适当增加该部分的钢柱布置及钢梁高度，增强局部抗侧移刚度，改善结构的整体抗扭转性能。

2)针对较严重的楼板局部不连续。各楼层及屋面层的中庭大开洞四周一个柱距的范围，加强局部钢柱钢梁截面，增加钢筋桁架楼层板的厚度和双层双向的配筋率。并且，在盈建科计算软件中定义楼板为“弹性板6”并采用有限元方式计算，对于计算结果“楼板应力等值线图”中应力数值较大的支座处配置附加钢筋。2层楼面较为集中开洞的相关范围上方楼板，适当加厚楼板及双层双向配筋。

3)针对侧向刚度不规则。1层为薄弱层，计算中采用1.25的地震剪力放大系数，构造中将该层柱箍筋全长加密，以提高薄弱层抗侧移能力。

4 思考与建议

结构设计中，对照抗震规范3.4.3的条款所梳理的建筑结构的不规则情况，针对每项不规则情况分别采取必要的抗震措施。

对于扭转不规则，应结合结构概念和软件计算结果，确定结构相对薄弱部位，对相应的框架柱截面进行调整。若框架柱截面调整受到建筑及水暖电等专业的限制，可以考虑增大薄弱处框架梁截面及减弱其余刚度较大区域的梁柱截面以均衡结构整体的抗侧移能力。

对于凹凸不规则，应提高局部凸出部位的抗震构造措施，以改善结构整体抗震性能。

对于楼板局部不连续，建议增大开洞区域周边的楼板厚度及配筋，提高开洞后剩余楼板的强度和刚度，以保证楼板提供可靠的水平力传递能力。

对于下部架空的连体结构，应提高架空区域的梁柱侧向抗震能力，并增大连体处的楼板刚度，避免该区域在整体结构中成为较薄弱的部位。

对于侧向刚度不规则，将薄弱层地震剪力进行放大，并提高该层柱的抗震构造措施，提高薄弱层抗侧移能力。