房屋結構設計中不規則性研究和總結

盛云錦

浙江華東工程建設管理有限公司 浙江 杭州 311100

1 不規則性分類

建筑的不規則主要分為平面不規則和豎向不規則兩類。平面不規則主要包括扭轉不規則、平面的凹凸不規則、樓板的局部不連續三類；豎向不規則主要包括側向剛度不規則、豎向抗側力構件不連續、樓層受剪承載力突變三類[1]。

2 不規則性產生的原因

2.1 扭轉不規則

規范通過位移比來判斷建筑是否扭轉不規則，當建筑的扭轉位移比大于1.2時，可以判定為扭轉不規則。扭轉不規則產生的原因主要有以下幾點。

2.1.1 建筑的長寬比過大。平面越狹長的建筑，結構計算過程中的偶然偏心距就越大，抗側力構件布置稍有不好，就會使建筑位移不協調，導致兩端的豎向構件最大層間位移與最小層間位移相差過大，扭轉位移比超限。

2.1.2 豎向構件的布置與受力狀態不協調。建筑的荷載一般不是均勻布置，存在受荷大小差別、柱距差別等。豎向構件的抗側剛度如果沒有根據荷載不同，柱距不同等這些變化因素做相應的調整，就會導致結構受力不均衡，使結構扭轉效應明顯。

2.2 平面的凹凸不規則

《抗規》指出建筑平面凹進的尺寸大于相應投影方向總尺寸的30%時，可以判定為扭轉不規則。建筑的外輪廓決定了該建筑是否屬于凹凸不規則，結構設計人員一般不能改變。當凹凸情況較為復雜時，對不規則的判別應進行多角度、多方向的比較，取不規則程度較低的數值來判斷。

在結構設計的過程中，我們會碰到建筑平面存在深凹口的情況。當在凹口處設置的樓面連梁截面較小時，由于該連梁不能有效的協調兩側結構的變形，需要按彈性樓板計算，則該建筑仍屬于凹凸不規則，不能按樓板開洞計算，設置該拉梁的作用只是作為凹凸不規則的加強措施。當在凹口處的連梁截面足夠大時，由于該連梁能有效地協調兩側結構的變形，符合剛性樓板假定，則可按樓板大開洞考慮。需要注意的是，采用加大連梁連接剛度的措施應有利于不規則項的合并，減少不規則項，當凹凸已經是一項不規則項時，應仍按凹凸計算，當樓板大開洞已經是一項不規則項時，應按樓板大開洞計算。具體可見圖1。

圖1 深凹口房屋平面圖

2.3 樓板局部不連續

《抗規》指出當樓板的尺寸和平面剛度急劇變化時，可以判定為樓板局部不連續。樓板局部不連續一般是由上游建筑專業的樓板布置決定的，結構設計人員需判斷是否屬于樓板局部不連續不規則項，并采取措施減小樓板局部不連續造成的危害。值得注意的是要理解錯層和開洞的區別。規范指出對于較大的錯層需按樓板開洞對待；當錯層面積大于該層總面積的30%時，則屬于樓板局部不連續。對“較大的錯層”規范沒有明確給出相關的定義。在結構設計過程中，我們一般將樓層高度差不小于600mm，且大于“樓層梁截面高度”時，確定為“較大的錯層”。此處“樓層梁截面高度”為樓層梁的代表性截面高度，一般為標準跨框架梁的截面高度，非錯層處梁截面高度。

2.4 側向剛度不規則

我們可以根據《高規》3.5.2條計算側向剛度的變化情況，并判斷是否屬于側向剛度不規則項。建筑的立面一般以矩形、梯形、三角形等均勻變化的幾何形狀為宜，但在實際的設計過程中會碰到許多大底盤建筑，此類建筑低層裙房和高層主樓相連，體型突變引起剛度突變，還有一些建筑中間部分樓層收進，極易造成建筑的側向剛度不規則。

2.5 豎向抗側力構件不連續

豎向構件未全部落地，存在通過轉換層往下傳力的建筑，可以判定為豎向抗側力構件不連續。一般是由于建筑底部幾層需要大的室內空間而取消一部分抗震墻或框架柱造成[2]。

2.6 樓層受剪承載力突變

抗側力構件的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%時，可以判定為層間受剪承載力突變不規則。樓層的層間受剪承載力是指在考慮地震水平力的方向上該層所有的柱、剪力墻、支撐所能提供的受剪承載力之和。樓層層高變高，或者取消了部分框架柱、剪力墻等均會導致該層的受剪承載力變弱，造成樓層受剪承載力突變不規則。

3 建筑不規則解決對策及加強措施

3.1 總體設計原則

在建筑方案階段，建筑外形輪廓宜最大限度地使用簡單、對稱、規則的幾何形狀，比如圓形、方形、正多邊形、矩形等等。建筑形體是影響房屋規則性的根本因素，在建筑形體不規則面前，結構措施也只是補救措施。合理的建筑布置是抗震設計中的頭等大事。震害調查表明，簡單、對稱的建筑在地震時較不易產生破壞，道理也比較簡單，簡單、對稱的結構容易預估其地震作用時的反應，容易有針對性的采取抗震加強措施。

盡量使結構的承載力和豎向剛度自下而上逐漸減少，變化均勻、連續，不出現突變。在實際工程設計中，往往沿豎向分段改變構件的截面和材料強度，這種改變使剛度發生變化，也應自下而上遞減。豎向構件尺寸和強度的改變最好避開錯層，同時避免同層改變。在結構豎向構件布置時，不應采用上部剛度大，底層僅有柱的“雞腳”建筑。這樣的結構上部側移剛度大，下部樓層側移剛度小，結構軟弱層出現在底層，地震中很容易遭到嚴重的破壞，而且從設計上很難采取相應的措施防止震害的發生。建筑體型復雜會導致結構體系沿豎向強度和剛度分布不均勻，在地震作用下某一層間或某一部位率先出現較大的彈塑性變形。例如，立面突然收進的建筑或局部突出的建筑，會在凹角出產生應力集中。

避免樓層既是薄弱層也是軟弱層。我們一般將不符合側向剛度比的樓層稱為軟弱層，不符合層間受剪承載力之比的樓層稱為薄弱層。結構側向剛度變化較大時往往伴隨著應力和應變的突變，可能同時出現薄弱層和軟弱層，設計時應避免出現。高層設計過程中，有的局部樓層往往層高較大，導致剛度變小，可以加厚該層的剪力墻厚度、加大柱截面提高側向剛度。

遇到由同一平面問題引起的多項不規則問題時，應對不規則項加以區分，合并由于同一原因引起的不規則項，并按最不利一項的不規則計算作為一項不規則，應同時針對不同的不規則項采取結構加強措施。如：樓板大開洞引起的穿層柱問題，有樓板大開洞的不規則和穿層柱不規則兩項，此時可只計算樓板大開洞不規則項，但需對樓板大開洞和穿層柱都采取相應的加強措施。錯層在結構設計中屬于嚴重的不規則情況，若結構已經考慮了錯層的不規則，則不需要考慮有錯層引起的樓板不連續。

3.2 平面不規則解決方案及加強措施

3.2.1 設置防震縫。抗震設計時，當建筑平面形狀復雜而又無法調整其平面形狀和結構布置使之成為較為規則的結構時，宜設置防震縫將其劃分為幾個較為簡單、規則的結構單元。如圖2所示，通過防震縫將凹凸不規則的L形、凹形建筑劃分為兩個、三個相對簡單的單元。但設置防震縫也會帶來新的問題，如由于縫的兩側均需設置墻體或框架柱而使得結構復雜，特別會使基礎處理比較困難，而且地震時縫的兩側結構進入彈塑性狀態，位移急劇增大而產生碰撞，產生嚴重的震害。輕者外立面裝飾、女兒墻破壞，重者結構主體破壞。一般情況下，應優先考慮不設防震縫，能少設縫就少設縫。

圖2 防震縫的設置

在遇到下列情況時，還是應設置防震縫，將建筑分為幾個規則的結構單元。

3.2.1.1 平面形狀屬于不規則類型，或豎向屬于不規則類型

3.2.1.2 房屋長度超過相關規范規定的伸縮縫最大間距，又沒有條件采取特別措施而必須設置伸縮縫時。

3.2.1.3 房屋各部分的結構體系截然不同，質量或側移剛度大小懸殊時。

3.2.1.4 地基土質不均勻或上部荷載相差較大，房屋各部分的預計沉降過大，必須設置沉降縫時。

防震縫在地面以上沿全高設置，縫中不能有填充物。當不作為沉降縫時，基礎可以不設防震縫。建筑中凡是設置防震縫的就要分的徹底；凡是不設縫的，就要連接牢固，保證其整體性。絕對不要將各部分設計的似分不分，似連不連，否則連接處在地震中很容易破壞。

3.2.2 調整剛度中心，盡量與質量中心重合。結構出現扭轉位移比過大的大部分原因是結構平面布置不規則，剛度中心與質量中心偏差過大。解決對策一般為加大質量中心一側樓層邊端部位的抗側力構件的剛度，如增大剪力墻墻肢截面的長度或厚度；框架柱截面增大或加高框架梁截面。框架－剪力墻結構、剪力墻結構，可把在樓層邊端部位的剪力墻縱、橫向連成一體，形成L形、T形和口字型，使其有較好的抗扭剛度。

在結構布置中，應特別注意具有很大側向剛度的剪力墻或鋼筋混凝土核心筒的位置，力求在平面上對稱，不宜偏置于建筑的一邊，也不宜將鋼筋混凝土筒體放置在建筑主體之外。例如樓梯間，盡量在平面圖上對稱或居中布置[3]。

3.2.3 平面不規則結構加強措施。角部重疊或細腰形的建筑，在中央部位形成狹窄部位，在地震中容易產生震害，尤其是在凹角位置，因為應力集中容易使樓板開裂、破壞。在這些部位應采取加大樓板厚度、增加板內配筋、設置集中配筋的邊梁等方法加強。

樓板在開洞削弱之后，宜加厚開洞附近的樓板厚度，并且雙層雙向配筋，洞口邊緣可以設置邊梁或暗梁，在樓板洞口角部可以設置斜向鋼筋。

3.3 豎向不規則解決方案及加強措施

造成豎向不規則的根本原因是建筑方案，比如大底盤建筑、樓層收進、底層抽柱抽剪力墻等，一般的解決方案是加強軟弱層抗側力構件的剛度，使該層的側向剛度滿足規范要求，不致產生豎向不規則。

底層或底部若干層取消一部分框架柱或剪力墻造成的剛度突變，一般應加大落地剪力墻的厚度或落地框架柱的尺寸，并提高這些樓層的混凝土強度等級，剪力墻和框架柱應加強配筋；部分收進的樓層，加強方式類似，加大這些樓層的框架柱、框架梁、剪力墻截面并加大配筋。除了加強豎向構件外，還應加大樓板的水平剛度，以保證各抗側力構件之間能夠可靠傳遞水平力。

4 結束語

綜上所述，為了減小結構設計中的不規則性危害，結構設計人員首先應判斷是否有必要設置防震縫，然后再總體布局，合理布置結構件，加強軟弱、薄弱部位，盡量使結構指標滿足規范要求，使結構不存在不規則項。當存在不規則項時，設計人員再做補救加強措施，優化受力傳力，使結構設計能最好的滿足業主需求。