對結構體型收進建筑的分析和設計探討

曹法書

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西大同 037006)

對結構體型收進建筑的分析和設計探討

曹法書

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西大同 037006)

分析了結構體型收進與側向剛度不規則的關系，介紹了結構體型收進的幾種類型，并探討了結構體型收進對建筑設計的影響，指出建筑工程中應針對不同的體型收進特征進行抗震設計，以有效減小地震災害。

結構體型收進，側向剛度，結構設計，抗震能力

近年來，隨著建筑業的快速發展，設計工作中，經常會遇到一些建筑為了立面造型或使用功能要求，在建筑物豎向有體型收進。結構計算時，在收進處側向剛度突變，引起周邊構件內力、位移不規則變化，嚴重影響建筑整體抗震性能。這樣的結構體型在設計時應予以足夠重視。

1 結構體型收進與側向剛度不規則的關系

側向剛度反映了一個建筑物在水平荷載(風荷載和水平地震力)作用下抵抗變形能力的大小。正常的建筑設計原則，應是按《建筑抗震設計規范》(以下簡稱抗規)3.4.2條所述:“……其抗側力構件的平面布置宜規則對稱，側面剛度沿豎向宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免側向剛度和承載力突變”。《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱高規)3.1.5條:“……結構的豎向和水平布置宜使結構具有合理的剛度和承載力分布，避免因剛度和承載力分布突變或結構扭轉效應而形成薄弱部位。”

建筑側向剛度不規則的類型分為兩類:第一類表現是“該層的側向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80%”，即所謂的剛度上大下小，也稱薄弱層;第二類是“除頂層或出屋面小建筑外，局部收進的水平面尺寸大于相鄰下一層的25%”，即所謂的剛度上小下大，也稱豎向體型收進。結構體型收進是側向剛度不規則的其中一種表現形式，是從尺寸角度變化來衡量樓層剛度變化，如果體型收進比值不超規范限值，剛度下大上小，均勻變化，既保證了建筑物下部的穩定性，也保證了建筑物上部的扭轉、剪切變形，也就滿足了結構設計原則。很多保存至今的古代塔式建筑，就是體型均勻收進的很好例證，其造型“下大上小，垂直適剛”，才能在幾百年甚至上千年的歷史中，歷經數次地震，仍然屹立不倒。

2 結構體型收進的類型

雖然體型收進，結構側向剛度體現了下大上小，但是下剛上柔也需要控制，否則在收進樓層處會形成薄弱部位，造成位移突變，層間位移角偏大，嚴重時會引起建筑物倒塌破壞，不利于抗震。《抗規》3.4.3提出了建筑體型收進的水平尺寸比例限制要求，《高規》3.5.5也列出了體型收進時，建筑水平及豎向尺寸比值限定。為了更好地理解體型收進與建筑水平及豎向尺寸關系，綜合起來，將其統一成明確的分類方式。結構豎向體型收進示意圖見圖1。

1)當H1/H≤0.2時，這種建筑屬于帶裙房結構(或單塔大底盤)。這種情況不討論B1與B的比值關系，但是要注意B1與B的位置關系，即上部塔樓結構(B1部分)的質心與底盤結構(B部分)質心的距離不宜大于底盤相應邊長的20%。

圖1 結構豎向體型收進示意圖

2)當H1/H＞0.2且B1/B＜0.75時，這種建筑屬于結構體型收進的剛度側向不規則(注意:要對建筑橫縱兩個方向上的體型收進都考慮)。實驗分析表明，收進部位越高，收進尺寸越大，剛度突變越嚴重，層間位移角會越大，對結構抗震越不利。所以，對于收進的尺寸應當限制。

3)當H1/H＞0.2且B1/B≥0.75時，這種建筑屬于體型收進但側向剛度變化不明顯，位移角變化不突出，符合抗震設計原則“剛度逐漸減小”。臺階式建筑、塔式建筑就是這種形式。

4)當H1/H＞0.2且B1/B＜0.75，但是，B1部位是建筑物頂層或出屋面的小建筑(電梯間、水箱間等)時，這種情況是不屬于側面剛度不規則的體型收進，應該按“鞭稍效應”考慮其地震作用。

3 結構體型收進對建筑的影響

通過對結構體型收進的梳理和分析，結構在豎向收進處剛度變小，雖然不像其他結構(如框支轉換結構、磚混底框結構等)底部薄弱層造成的危害嚴重，但對上部結構的構件內力、剪切變形影響很大。在設計時，要根據結構收進的不同特性采取不同的設計方法和構造措施。

1)對于大底盤單塔結構，塔樓的底層是內力突變的部位，應采取構造措施予以加強。首先，為加強底盤與塔樓的整體性，保證底盤與塔樓整體工作，對豎向體型突變部的樓板加強，裙房屋面板厚度不小于150 mm，雙層雙向配筋，且每層每個方向鋼筋網的配筋率不小于0.25%。同時體型突變部位上、下層結構的樓板也應加強構造措施(見圖2a));其次，當結構偏心收進時，考慮扭轉效應影響，收進處上下兩層豎向構件也應加強(見圖2b))。

2)對于上部側剛不規則的體型收進，應盡可能避免，或采取薄弱層加屈曲約束支撐等方法，來減小結構剛度變化的影響，控制其上部收進結構的底部樓層層間位移角，不大于相鄰下部區段最大層間位移角的1.15倍。或者在建筑立面可能調整的情況下，采用多次階梯狀均勻收進，做成臺階形建筑，以滿足規范要求。否則，按照《抗規》3.4.4-2要求，應對不規則結構進行地震作用計算和內力調整，采用空間結構計算模型，剛度小的樓層的地震剪力乘以不小于1.15的增大系數，其薄弱層應按規范有關規定進行彈塑性變形分析。

圖2 體型收進結構的加強部位示意圖

3)對于類似于凸出屋面的小建筑，采用底部剪力法時，其地震作用效應，宜乘以增大系數3，此增大部分不應往下傳遞，但與該凸出部分相連的構件應予計入;采用振型分解法時，凸出屋面部分可作為一個質點，參與整體計算。但是，考慮到該凸出小建筑的“鞭稍效應”成因與主體結構固有頻率及地面擾頻有關，更應該從抗震構造措施上，加強小建筑自身的抗震能力，以及保證小建筑與屋面結構的可靠連接。

4 結語

結構體型收進雖然不是一種嚴重的側向剛度不規則建筑，但收進尺寸比值超過規范限值時，對結構的抗震性能是不利的，水平地震作用下其收進處的層間位移角會顯著變大，周邊豎向構件內力也明顯增大，嚴重時引起結構破壞或倒塌。結構設計中，建筑平面不僅要平面規則，更要求豎向規則，要具體分析體型收進的不同特征，采取相應的抗震措施，以減小震害。

［1］ 張維斌.混凝土結構設計問答［M］.北京:中國建筑工業出版社，2014.

［2］ 朱炳寅.建筑結構設計問答及分析［M］.北京:中國建筑工業出版社，2013.

On analysis and design of structural step-back building

Cao Fashu

(Datong No.2 Institute of Architectural Design Co.，Ltd，Datong 037006，China)

The paper analyzes the relationship between the structural step-back and irregular lateral rigidity，introduces some types of the structural step-back，explores its influence on the architectural design，and points out the seismic design can be undertaken according to various features of the step-back，so as to reduce the seismic disasters.

structural step-back，lateral rigidity，structural design，seismic capacity

TU318

A

1009-6825(2016)35-0053-02

2016-10-08

曹法書(1973-)，男，工程師