對(duì)現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不規(guī)則設(shè)計(jì)的探討

王玉生

【摘要】在現(xiàn)代城鎮(zhèn)建設(shè)中，不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)往往是不可避免的，而且正是這些造型新穎別致的不規(guī)則建筑物，給居住環(huán)境帶來(lái)氣象萬(wàn)千，別具一格的人文景觀。因此，對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)不應(yīng)一味地排斥、拒絕，而應(yīng)當(dāng)因勢(shì)利導(dǎo)，趨利避害。為城鎮(zhèn)化建筑物的多樣性增添更多光彩。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代建筑；不規(guī)則結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、不規(guī)則建筑設(shè)計(jì)的特征

1、 第一類： 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。一是扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：位移比大于 1.2。二是凸凹不規(guī)則：①平面狹長(zhǎng)，在抗震設(shè)防烈度為 6 度、7 度時(shí)，平面長(zhǎng)寬比大于 6.0（8 度時(shí)大于 5.0）；②凹進(jìn)太多，平面凹進(jìn)一側(cè)的尺寸大于相應(yīng)投影方向總尺寸的 0.35（8 度時(shí)大于0.3）；③凸出過(guò)細(xì)，凸出部分的長(zhǎng)寬比大于 2.0（8 度時(shí)大于 1.5）。三是樓板局部不連續(xù)：①樓板開洞凹入后，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的 50%；②開洞面積大于該層樓面面積的30%；③采用細(xì)腰形平面；④有較大的樓層錯(cuò)層。

2、第二類：豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不規(guī)則：①樓層側(cè)向剛度小于相鄰上部樓層的70%或其上相。鄰三層平均值的 80%；②高層結(jié)構(gòu)上部樓層收進(jìn)部位到室外地面高度大于房屋高度的 20%，上部樓層收進(jìn)的水平尺寸大于相鄰下一層的 25%；③高層結(jié)構(gòu)上部樓層外挑，下部樓層的水平尺寸小于上部尺寸的 90%，且水平外挑尺寸大于4m；④結(jié)構(gòu)頂部取消部分墻、柱形成空曠房間。二是豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)：豎向抗側(cè)力構(gòu)件（柱、抗震墻、抗震支撐）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件（梁、桁架等）向下傳遞。三是樓層承載力突變：A 級(jí)高層建筑的層間受剪承載力比小于 0.8，B級(jí)高層小于 0.75。

3、第三類： 復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、多塔樓結(jié)構(gòu)等。

4、 第四類： 超規(guī)范結(jié)構(gòu)。一是超高結(jié)構(gòu)，超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的最大高度。二是超限結(jié)構(gòu)，超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的其它限值。三是新型結(jié)構(gòu)，特指采用新材料、新工藝、新技術(shù)建造的，規(guī)范沒(méi)有涉及的新的結(jié)構(gòu)類型。超規(guī)范結(jié)構(gòu)由于其超過(guò)規(guī)范的限值，或違反規(guī)范強(qiáng)制性條文的規(guī)定，或沒(méi)有現(xiàn)成的規(guī)范條文作依據(jù)，沒(méi)有成熟的技術(shù)可借鑒，不論其平面立面的布置是否規(guī)則，都將其定為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，以便從嚴(yán)設(shè)計(jì)審查，顯然是非常必要的。

二、設(shè)計(jì)計(jì)算

1、 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：一是調(diào)整結(jié)構(gòu)方案，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過(guò)大的偏心矩。二是對(duì)平面凸凹不規(guī)則結(jié)構(gòu)，可以設(shè)置防震縫或滑動(dòng)鉸支撐，形成多個(gè)較規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元。三是對(duì)樓板不連續(xù)結(jié)構(gòu)，可以設(shè)置拉梁或拉板，減少樓板的不連續(xù)程度。四是對(duì)樓層剛度突變和承載力突變的結(jié)構(gòu)，應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)減少結(jié)構(gòu)豎向的不規(guī)則程度。

2、選擇合理的計(jì)算分析方法。一是多遇地震作用和彈性工作狀態(tài)下的內(nèi)力和變形分析第一階段設(shè)計(jì)可假定結(jié)構(gòu)與構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài)，內(nèi)力和變形設(shè)計(jì)可采用線性靜力方法或線性動(dòng)力方法。常用的結(jié)構(gòu)分析方法有：（1）底部剪力法，適用于：規(guī)則的多層結(jié)構(gòu)；規(guī)則的高度不超過(guò) 40m高層結(jié)構(gòu)。（2）振型分解反應(yīng)譜法，這是 SATWE 軟件主要的計(jì)算分析方法，適用于：規(guī)則的多高層結(jié)構(gòu)；一般不規(guī)則多高層結(jié)構(gòu)；特別不規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)。（3）彈性時(shí)程分析方法，應(yīng)采用二組實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符，即單條波計(jì)算的結(jié)構(gòu)總地震剪力不小于按反應(yīng)譜方法計(jì)算的65%，多條波計(jì)算的平均值不小于反應(yīng)譜法的 80%。SATWE 軟件包含該分析方法，其適用于：7 度～9 度抗震設(shè)防的甲類高層結(jié)構(gòu)，復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，特別不規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)。二是罕遇地震下的彈塑性變形驗(yàn)算。第二階段設(shè)計(jì)是對(duì)大震下容易倒塌的不規(guī)則結(jié)構(gòu)和有特殊要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)在大震下的薄弱部位，位移限值，塑性鉸位置及其發(fā)生的時(shí)刻，以便有針對(duì)性地采取抗震構(gòu)造措施。主要分析方法有：彈塑性時(shí)程分析方法和靜力彈塑性（推覆）分析方法。彈塑性變形驗(yàn)算方法適用于：12 層以下純框架結(jié)構(gòu)（可用簡(jiǎn)化的彈塑性時(shí)程分析驗(yàn)算）；特別不規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)；嚴(yán)重不規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)。該類結(jié)構(gòu)除計(jì)算分析外，還應(yīng)按建設(shè)部令 111 號(hào)規(guī)定，在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段申報(bào)抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)高烈度地區(qū)重要的、標(biāo)志性的不規(guī)則建筑物，由于其社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)利益巨大，必須提高抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，由“中震可修”提高到“中震不壞”，因此對(duì)這類結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件和薄弱部位，應(yīng)采用比規(guī)范更嚴(yán)格的抗震要求，如中震不屈服設(shè)計(jì)、中震彈性設(shè)計(jì)或大震承載力驗(yàn)算。主要措施是：①根據(jù)抗震設(shè)防烈度，提高最大地震影響系數(shù)，如采用中震或大震的影響系數(shù)；②根據(jù)扭轉(zhuǎn)變形指標(biāo)位移比的增大程度，適當(dāng)從嚴(yán)控制地震作用下層間最大位移角的限值。

三、電算參數(shù)設(shè)置

1、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)。從理論分析和工程實(shí)例計(jì)算得知，考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響的計(jì)算適用于任何空間結(jié)構(gòu)，非耦聯(lián)計(jì)算通常用于平面結(jié)構(gòu)。因此，空間分析軟件 SATWE 取消了是否選擇扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的選項(xiàng)，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中總考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的影響，顯然這對(duì)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析是十分有利的。

2、振型數(shù)量?！陡咭?guī)》規(guī)定，抗震計(jì)算時(shí)，宜考慮平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不應(yīng)小于 15，且計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的 90%。為了保證抗震計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，必須選取足夠多的振型數(shù)量，使有效質(zhì)量系數(shù)大于 0.9。但振型數(shù)也不能取的太多，不能超過(guò)結(jié)構(gòu)有質(zhì)量貢獻(xiàn)的自由度總數(shù)。SATWE 軟件計(jì)算振型數(shù)的缺省值為 15，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)工程實(shí)際情況自行修改。對(duì)于不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，特別是具有彈性樓板，樓板開大洞，錯(cuò)層，躍層，多塔等結(jié)構(gòu)，由于有質(zhì)量貢獻(xiàn)的自由節(jié)點(diǎn)數(shù)大大增加，選擇的振型數(shù)也必須大大增加，才能確保有效質(zhì)量系數(shù)大于 0.9，使抗震計(jì)算結(jié)果真實(shí)可信。

3、雙向地震?！犊拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》強(qiáng)制條文規(guī)定，質(zhì)量和剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。但“明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)”如何衡量呢，如果沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制條文豈不成為可執(zhí)行可不執(zhí)行？建議設(shè)計(jì)人員將本文提出的特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)作為明顯不對(duì)稱、不均勻結(jié)構(gòu)，考慮雙向地震影響。

4、設(shè)置彈性樓板。當(dāng)結(jié)構(gòu)平面凹凸不規(guī)則，樓板不連續(xù)，樓板開大洞等情況形成狹長(zhǎng)板帶時(shí)，當(dāng)連體結(jié)構(gòu)采用弱連接樓蓋連接兩翼主體結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)采用框支剪力墻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)時(shí)，該部位的樓板不應(yīng)采用剛性樓板假定計(jì)算，而應(yīng)采用彈性樓板模型計(jì)算地震作用效應(yīng)，即在SATWE 軟件特殊構(gòu)件設(shè)置中將其設(shè)定為彈性板。

結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的大幅提升，人們思想觀念的不斷更新，嚴(yán)格意義的規(guī)則建筑已經(jīng)很難見(jiàn)到，代之而起的是大批新穎別致，標(biāo)新立異，張顯個(gè)性的建筑物，各地大量涌現(xiàn)的現(xiàn)代新型建筑物幾乎都是不規(guī)則或很不規(guī)則的，它們的出現(xiàn)既給城鎮(zhèn)建設(shè)帶來(lái)了嶄新的面貌，又給工程設(shè)計(jì)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如何按照規(guī)范精神，進(jìn)行不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，成為工程設(shè)計(jì)中必須解決的重要課題。

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