对现代建筑结构设计中不规则设计的探讨

对现代建筑结构设计中不规则设计的探讨

实际工程中，建筑结构不规则性的判断在一定程度上直接影响建筑结构的建模、建筑结构的一系列布置、薄弱楼层等，而间接的影响整体建筑结构的布置是否经济、合理、安全。结构设计师在设计不规则的建筑物时，需要尽量的减小或者避免建筑结构比较容易出现薄弱的部位，同时做到强化那些薄弱部位。

标签： 现代建筑结；构设计；不规则设计

前言：

建筑工程中，由于各种原因的，在建造过程中，会因为不同的环境和地质条件，而导致建筑体不能完全成为规则的图形，不对称现象比较常见。以著名的央视大楼为例，它就是一个典型的不规则建造体，但却完美体现了建筑师和设计者别具匠心的设计理念，堪称建筑设计中的重要代表。

一、建筑结构中的不规则类型

建筑结构类型一般可以分为两个大类：竖向不规则结构和平面不规则类型。竖向不规则类型的建筑结构主要包含：侧向刚度不规则、楼层承载力的突变和竖向抗侧力构件不连续性等；平面不规则结构类型主要包含：扭转的不规则、平面凹凸的不规则和各别楼板不连续等。

1、竖向不规则的结构类型判断

第一，侧向刚度的不规则。判断此种类型的不规则结构的标准是确定楼层之间的侧向刚度值小于相邻上一楼层的侧向刚度值的百分之七十，或者小于该楼层连着向上三个楼层平均侧向刚度值的百分之百十，当然顶层不能按此方法计算。同时，楼层個别地方水平收缩的长度应当大于与之相邻的下一层的百分之二十五。第二，竖向抗侧力构件的不连续情况的判断标准是考察数值方向的抗侧力构件是否通过水平力的转换而不断地向下传递力；第三，楼层间的承载力突变判断标准是楼层间的受剪程度小于与之相邻的上一楼层的百分之八十；第四，楼层间质量的突变判断标准是楼层质量要大于与其相邻的下一层总质量的1.5倍。

2、平面不规则的结构类型判断

第一，扭转结构的不规则判断依据为：每一个楼层的自身最大限度的弹性水平位移尺寸必须大于紧邻跟楼层两个端点的弹性水平位移值的1.2倍，也或者是考察最大的层间位移值是两端层间位移平均值的1.2倍；第二，凹凸结构的不规则判断方法是判断该建筑结构的凹进去一侧的尺寸是否大于其投影上总尺度的百分之三十；第三，楼板局部结构的不连续的判断标准是考察楼板的尺寸和平面刚度发生急剧变化的程度。

二、工程实例

平面不规则对于结构抗震性能是很不利的，本文所列项目为一平面呈L型布置的不规则结构，该项目地下4层，地上22层，主屋面建筑高度90.3m，其中裙房4层，屋面建筑高度19.5m，5～22层塔楼平面呈L型布置，结构平面如图1，属于平面不规则的超限高层结构。

1、超限情况分析

本工程结构不规则项有：扭转不规则（考虑偶然偏心扭转位移比1.36>1.2）；平面凹凸不规则（标准层最大偏心率0.23>0.15）；竖向尺寸突变（6层相对5层水平尺寸缩进60%>25%，且5层楼面高度占总高度的22%>20%）共3项，无特别不规则项，属于超限高层建筑。

2、结构抗震性能目标由于本工程高度远小于规范A级高层高度限值；仅有超过规范中不宜条款的情况，未有超过规范不应条款的情况；所处地区抗震烈度为7度，不属于高烈度地区，因此设定本项目抗震设防目标为C级。具体抗震分析中要求达到以下目标：

（1）在小震作用下，要求全部构件的抗震承载力满足弹性设计要求。结构层间位移角小于1/800，全部构件承载力及结构抗震承载力满足规范要求。

（2）在中震作用下采用弹性反应谱法进行屈服承载力设计。计算结果要求所有竖向构件满足中震不屈服要求，所有构件受剪截面满足VGE+VEK≤0.15Fckbh0要求，最大弹性层间位移角不超过1/400。

（3）在大震作用下采用弹性反应谱法进行屈服承载力设计。计算结果要求塔楼凸出端角柱满足大震不屈服要求，所有构件受剪截面应满足VGE+VEK≤0.15Fckbh0要求，最大弹性层间位移角约为1/200。

（4）另需采用静力弹塑性法进行大震验算，要求弹塑性层间位移角小于1/100，构件屈服顺序需满足先耗能构件后竖向构件的要求，同一楼层不得大部分竖向构件出现塑性铰。

3、结构抗震等级

本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组，特征周期值为0.45s。本工程属于A级高层，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》表4.8.2并考虑负3层～4层乙类建筑抗震等级提高一级，以及特殊部位竖向构件的加强，确定各楼层构件抗震等级分别如下：负4层～4层框架、剪力墙为一级；5层～天面框架、剪力墙为二级；3、4层柱为特一级，5、6层柱为一级。

4、上部楼层结构分析及结果

（1）分析方法与计算内容

本工程分别采用SATWE及GSSAP软件进行了结构弹性分析，计算中考虑了不同水平作用角度对结构性能的影响。采用SATWE进行中、大震不屈服验算和弹性时程分析；采用EPDA进行弹塑性静力Pushover验算；在计算中对结构分别按照水平作用正交和斜向施加计算了各项指标。

（2）周期结果分析

由表1可见，两者计算结果第1、2周期均为平动周期，第3周期为扭转周期。扭转周期与第1平动周期之比为0.807<0.85（限值）。两方向的平动周期较为接近，说明其运动性能较为接近。

（3）水平位移

由表2可见，在各种水平荷载作用下，最大弹性层间位移角均满足规范要求。部分工况下楼层最大位移与平均位移的比值虽大于1.2但均小于1.4。

（4）层间刚度比及抗剪承载力比

本工程的侧向刚度随楼层数增加而均匀减小（图略），仅由于首层层高6m，高于上部4.5m；5层层高4.5m，高于上部3.9m，故其侧向刚度小于上部楼层。在各工况中，首层刚度最小为上1层的79%，为上3层平均刚度的84%；5层刚度最小为上1层的91%，为上3层平均刚度的97%；首层抗剪承载力最小为上1层的95%，5层为上1层的96%，均满足规范要求。（5）反应谱法其余主要计算结果

由表3可知，计算时所选振型数满足规范要求，剪重比均大于1.6%，可不另作楼层地震剪力调整。刚重比大于1.4，可通过整体稳定验算，且由于该值大于2.7，可不考虑重力二阶效应。框架所承担的最大倾覆弯矩比例小于50%，底层框架承担的倾覆弯矩为45.6%，说明本工程结构布置的剪力墙数量较为合理，两程序在底部剪力及底部倾覆弯矩较接近，说明其计算结果可互相印证。

（6）弹性时程分析

计算时选取了1条程序所提供的二类场地人工波数据以及2组天然波数据，经比对该3组波的计算结果，均符合《高规》3.3.5条要求。

（7）大、中震不屈服验算

在中震不屈服验算中，竖向构件未发生破坏现象，小部分水平构件发生受弯破坏，最大层间位移角1/485；在大震不屈服验算中，负4层～21层局部墙柱发生受弯破坏，负1层至屋面层有较多梁发生受弯破坏，最大层间位移角1/229，

满足性能设计目标。其中，在中震作用下部分剪力墙端柱产生拉力，对该部分剪力墙端柱按特一级采取构造措施。

（8）Pushover及中震、大震不屈服验算计算中分别按照X、Y向进行了大震推覆验算。由表4可见，各方向推覆性能点对应的最大层间位移角均小于大震层间位移角限值1/100，说明该结构体系满足大震不倒的抗震设防目标。

a.在X向推覆过程中，于11步5层连梁首先出铰，于12步首层框架梁端出铰，于42步达到结构性能点，于60步首层柱端出铰；

b.在Y向推覆过程中，于11步5层连梁首先出铰，于16步首层框架梁端出铰，于33步达到结构性能点，于65步首层柱端出铰；

c.在45°推覆过程中，于11步5层连梁首先出铰，于13步首层框架梁端出铰，在28步达到结构性能点，于62步首层柱端出铰；

d.在135°推覆过程中，于11步5层连梁首先出铰，于11步首层框架梁端出铰，于38步达到结构性能点，于58步首层柱端出铰。

（9）计算结果综述

通过运用SATWE和GSSAP进行计算对比，发现虽具体计算数值存在差异，但两程序所反映的结构扭转性能、竖向刚度及抗剪承载力变化规律均相同；周期以及底部剪力、底部倾覆弯矩、结构总质量等指标均较接近；所表现出的差异情况均可从其力学模型和计算假定的不同上得出合理解释。因此可以认为两软件可相互印证和校正，达到了“采用两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算”的目的。

三、结束语

总之，具体施工过程中，务必准确地把握建筑结构的设计和不规则位置，充分论证其受力情况，只有这样才能保证不会对建筑结构的建模、设计方案和建筑物本身的抗震性等多方面造成问题造成影响，从而提高整个建筑物的承受压力、安全合理性以及经济性。

参考文献：

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