豎向不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)概述

(廣州大學(xué)，廣東 廣州 510006)

1.結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的定義

建筑結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性即結(jié)構(gòu)立面造型簡(jiǎn)單，抗側(cè)力體系剛度強(qiáng)度、樓層重量 (質(zhì)量)等上下變化連續(xù)、均勻，一般情況下是各樓層質(zhì)量較為均勻一致，樓層剛度與強(qiáng)度沿著建筑從下往上逐漸減小，抗側(cè)力體系上能夠保持穩(wěn)定的連續(xù)性。

建筑結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則是與結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則相對(duì)而言的。從力學(xué)角度上講，那就要考慮一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)體系是如何傳遞地震作用的過程。當(dāng)?shù)卣鸬絹頃r(shí)，地震作用從地基通過基礎(chǔ)傳遞到上部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生加速度，由于加速度的作用，結(jié)構(gòu)的構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生慣性力與內(nèi)力。此時(shí)，一個(gè)結(jié)構(gòu)傳遞地震作用的路徑至關(guān)重要。如圖1所示，可以把建筑結(jié)構(gòu)等效為由若干個(gè)鏈扣組成的鏈體系，只有鏈扣之間有足夠且有效的連接才可以把整個(gè)結(jié)構(gòu)串聯(lián)起來，形成一個(gè)有效的結(jié)構(gòu)整體。當(dāng)其中某一個(gè)或若干鏈扣體系出現(xiàn)間隙或缺陷，都可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力路徑的中斷，在中斷的位置附近會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形與應(yīng)力集中，因而可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的失效。

圖1 鏈體系

2.結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的分類

建筑結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的類型有很多，各國相關(guān)規(guī)范都對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的限定，如承載力突變、剛度突變、樓層突出等。歸根結(jié)底，豎向不規(guī)則的類型主要是從強(qiáng)度、剛度與質(zhì)量上去劃分。

1)強(qiáng)度分布不規(guī)則

建筑結(jié)構(gòu)的樓層強(qiáng)度 (樓層屈服承載力)是指結(jié)構(gòu)在所考慮地震作用方向上，建筑結(jié)構(gòu)樓層所有承受水平地震作用抗側(cè)力構(gòu)件的受剪承載力之和。造成某一樓層的強(qiáng)度不規(guī)則的原因主要由:豎向構(gòu)件 (剪力墻、柱)截面突變、截面縱向鋼筋 (或型鋼)不足等原因造成的相鄰上下樓層的樓層抗剪承載力的嚴(yán)重差異。通常把這種樓層成為“弱層”。弱層容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的塑性變形集中，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部或整體的不穩(wěn)定或倒塌。通常樓層的抗震延性需求分布對(duì)樓層強(qiáng)度的改變較為敏感。

2)剛度分布不規(guī)則

剛度不規(guī)則是指:由于建筑功能的需求，如底部需要大空間可能導(dǎo)致的樓層高度變化，部分豎向構(gòu)件也難以直通到基底，由此造成了結(jié)構(gòu)樓層剛度不統(tǒng)一。部分非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也擁有一定的剛度與強(qiáng)度，不可預(yù)見地提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與強(qiáng)度，比如，對(duì)填充墻進(jìn)行合理的布置則能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)提供有效的剛度與強(qiáng)度，有利于結(jié)構(gòu)抗震;如果布置不合理，即使結(jié)構(gòu)其他構(gòu)件布置均勻、連續(xù)、對(duì)稱也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的豎向剛度不規(guī)則。“軟層”容易引起墻柱上下兩端產(chǎn)生過大的塑性變形集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的層間位移而不適于繼續(xù)工作，如圖2所示。現(xiàn)實(shí)工程中，許多情況下剛度不規(guī)則與強(qiáng)度不規(guī)則同時(shí)出現(xiàn)。

圖2 “軟層”結(jié)構(gòu)

3)質(zhì)量分布不規(guī)則

樓層的有效重量指的是結(jié)構(gòu)每層自重荷載標(biāo)準(zhǔn)值和一定比例的可變荷載組合值之和。質(zhì)量不規(guī)則是指結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層、室內(nèi)游泳池樓層、架空層等特殊功能樓層，由于其質(zhì)量與普通樓層相差較大，引起的質(zhì)量集中，如圖3所示。質(zhì)量集中引起樓層慣性力加大，引起較大的重力二階效應(yīng)，增加了結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性與倒塌概率。相對(duì)于強(qiáng)度與剛度分布不規(guī)則，質(zhì)量不規(guī)則對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的需求影響較小。3.我國規(guī)范對(duì)豎向不規(guī)則的相關(guān)說明:

圖1 質(zhì)量集中結(jié)構(gòu)

對(duì)于豎向不規(guī)則的設(shè)計(jì)，以下整理并給出了我國規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，供有關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。我國對(duì)豎向布置不規(guī)則結(jié)構(gòu)做了很多規(guī)定和限制，這些規(guī)范主要包括《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》2010版 (簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)[1]和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》2012版(簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)[2]。兩者對(duì)比和總結(jié)如表1所示。同時(shí)，在《高規(guī)》中給出了樓層質(zhì)量之比不超過1.5的規(guī)定。

表1 我國規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的規(guī)定和限制[1][2]

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).GB50011－2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010