不规则建筑结构的设计加强措施探讨-建筑设计论文

分类：建筑设计论文发表 时间：2011-07-15 09:39 关注：(1)

不规则建筑结构的设计加强措施探讨

陈 科

摘要：由于建筑平、立面的多样性、独特性需要，使得不规则建筑结构的设计越来越广泛。本文对不规则建筑结构的类型及划分进行了概括总结，并结合工程实例，对不规则建筑结构设计中采取的加强措施进行了探讨。

关键词：不规则结构 平面不规则 竖向不规则 加强措施

1 引言

高层建筑一般应选用规则的形体，平面布置规则对称、侧向刚度沿竖向均匀变化、竖向抗侧力构件截面尺寸和材料强度自下而上逐渐减小、避免侧向刚度和承载力突变。不规则会给建筑结构带来两大危害：（1）不规则一般都会引起质心和刚心之间的偏心，导致结构出现较大的扭转；（2）不规则结构往往会在一些部位产生应力集中，使结构在受到较大的水平力（如地震力）时应力集中部位发生严重破坏。历次震害表明，不规则建筑在地震中较规则建筑的更容易坍塌破坏，造成大量的生命财产损失和严重后果。因此，在我国的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中明确规定对不规则的建筑结构应采取加强措施。

2 不规则建筑的类型及其划分

建筑结构的不规则类型主要包括平面不规则和竖向不规则两个方面：

平面不规则：a、扭转不规则；b、凹凸不规则；c、楼板局部不连续；

竖向不规则：a、侧向刚度不规则；b、竖向抗侧力构件不连续；c、楼层承载力突变。

建筑结构的不规则程度分为三个层次，即一般不规则、特别不规则和严重不规则。三种不规则程度的具体判定参考《抗规》第3.4.1条文解释及2010年国家住建部建质[2010]109号文件“关于印发《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的通知”附录一“超限高层建筑工程主要范围的参照简表”中对建筑不规则性的明确规定。

3 不规则建筑结构的设计加强措施

根据《抗规》第3.4.1条，不规则建筑结构的加强措施根据不规则程度分为三种情况：

一般不规则——按规范、规程的相关规定采取加强措施（具体可参考《抗规》第3.4.4、3.4.5条）。

特别不规则——经过专门研究和论证，采取高于规范、规程规定的特别加强措施，对于高层建筑还应严格按照建设部令第111号进行抗震设防专项审查；

严重不规则——不应采用，应要求建筑师予以修改、调整。

对于不规则结构的设计调整和加强措施主要有以下几个方面：（1）选用正确的计算分析方法和计算模型，如不规则建筑应采用振型分解反应谱法和空间结构计算模型，当凹凸不规则和楼板局部不连续时采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，薄弱层地震剪力乘以1.15的增大系数等；（2）控制结构扭转周期比、扭转位移比、层刚度比和受剪承载力之比，多塔结构还应控制塔楼偏置比；（3）提高周边抗扭构件抗剪能力，增强结构抗扭性能安全；（4）减小结构相对偏心距，调整不规则结构平面布置；（5）薄弱部位加强抗震构造措施，如楼板削弱较大部位应加厚洞口周边楼板并采用双层双向配筋；加大薄弱部位的柱、梁截面及配筋，提高该部位抗侧刚度等；（6）抗震设计时考虑设置防震缝，将结构划分为几个较简单的单元。

4 工程实例

实例1：某图书馆地上六层，平面布置如图1所示。该建筑长50.4m，宽39.9m，一层层高4.5m，其余楼层3.7m，建筑总

高度23.9m。柱网尺寸为7.2m×7.5m、

7.5m×7.5m、8.1m×8.1m。抗震设防类

别为标准设防，抗震设防烈度为6度，

设计基本地震加速度值为0.05g，设计

地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。

主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结

 

构，抗震等级为三级。

该建筑形体及构件布置存在如下不

规则项：

（1）楼板局部不连续——各层楼板

开洞面积均大于本层楼板面积的30%，楼板有效宽度均小于典型宽度的50%。

（2）侧向刚度不规则——底层的侧向刚度小于相邻上层侧向刚度的70%。

设计时采取的加强措施：（1）采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型（弹性楼板定义），计入楼板的变形影响；（2）控制整体扭转刚度第1、2主要振型（X、Y方向）均以平动为主；（3）控制层扭转刚度考虑偶然偏心影响下的扭转位移比均在1.2以内；（4）针对楼板开洞造成的楼板刚度削弱较大，采取开洞周边楼板加厚为150mm，并双层双向配筋且每个方向的配筋率不小于0.25%的加强措施。（5）对竖向刚度突变（薄弱）部位，计算时采用地震剪力乘以1.15的增大系数，并对该层框架柱采取加强配筋等措施。

实例2：某办公楼地上八层，平面布置如图2所示。建筑长79m，宽22.8m，层高4.5~5.5m，建筑总高度40.5m。柱网尺寸为4m×8m、8m×8m、8m×10m。抗震设防类别为标准设防，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。该结构柱位规整，故拟采用现浇钢筋混凝土框架结构，抗震等级为三级。

 

 

经初步计算，确定该建筑形体及构件布置存在如下不规则项：

（1）凹凸不规则——各层平面凹进尺寸大于均相应投影方向总尺寸的30%。

（2）侧向刚度不规则——三层的侧向刚度小于相邻上层侧向刚度的70%，

（3）楼层承载力突变——三层抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。

根据《抗规》3.4.1条文解释“同时具有本规范表3.4.3所列六个不规则类型的三个或三个以上”属于特别不规则建筑，需经过专门研究和论证，采取相应的加强措施。

为减少该结构的不规则程度，使其成为一般不规则结构，首先考虑增加薄弱层的抗侧刚度及受剪承载力。若仅采用加大柱、梁截面等措施进行加强，计算后发现三层侧向刚度及层间受剪承载力仍不能满足要求。因此，考虑对该建筑的抗侧力构件进行适当的增加和调整：

（1）在建筑四角及中部楼板凹进部位设置一定数量的剪力墙，增强抗侧刚度，如图3所示；

（2）适当加大三层楼面及三层楼面以下各框架柱及框架梁的截面尺寸，同时适当减小三层楼面以上部分框架柱、梁的截面尺寸，以减少三层抗侧力构件与其上一层抗侧力构件的受剪承载力差距。

 

 

经过调整后的计算结果如下：

（1）周期比（Tt/T1）：第一平动周期（T1）平动系数 (X+Y)为1.0，扭转系数0.0；第1扭转周期（Tt）平动系数 (X+Y)为0.1，扭转系数0.9；周期比Tt/T1=0.55<0.9；

（2）位移比和位移角：考虑偶然偏心地震作用，各工况下最大位移与层平均位移的比值为1.18，最大层间位移与平均层间位移的比值为1.19，位移比均小于1.2。最大层间位移角1/2266；

（3）各层楼层刚度比最小值1.098；各层楼层抗剪承载力之比最小值0.83。

由此可见，该结构的竖向不规则项经过调整后消除，已不属于特别不规则建筑，而属于一般不规则建筑，按相关规范、规程的规定采取加强措施即可。

5 结语

建筑结构平、立面布置的多样性，导致不同建筑结构不规则的多样性。设计不规则结构时，首先应明确结构存在的不规则类型和不规则项数目，判定该结构所属的不规则程度，根据不规则程度结合相关规范、规程的规定选用合理的调整和加强措施。其次，根据不规则性结构容易出现较大扭转和应力集中这两大危害，设计时应有针对性地对结构扭转薄弱部位和可能产生应力集中部位采取加强措施，以减轻不规则给结构带来的影响。

参考文献

[1] 建筑抗震设计规范.GB 50011-2010.北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 高层建筑混凝土结构技术规程.JGJ 3-2002. 北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3] 刘冬柏，王璇. 不规则建筑抗震设计中的几个问题讨论[J].中外建筑，2010.

[4] 慕朝辉. 不规则高层建筑结构抗震分析[D].西南交通大学，2003.

[5] 何礼达. 论不规则性在高层建筑结构设计中的运用[J].河南科技，2010.