基于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究

陳杰成

1 引言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)建筑的多樣性和美觀(guān)性要求越來(lái)越高。因此，很多建筑物都設(shè)計(jì)出平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，地震災(zāi)害頻發(fā)，人們對(duì)建筑質(zhì)量的安全和抗震性能的關(guān)注日益提高，由于地震發(fā)生時(shí)，建筑物不僅受到水平和豎向地震作用，而且很可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，尤其是平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)的建筑物，這種震動(dòng)更加明顯，導(dǎo)致產(chǎn)生的抗震性能弱化更嚴(yán)重，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞甚至坍塌的可能性更高。因此，研究平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)定義

2.1 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則

如果建筑物的單向偶然偏心地震作用下的位移比超過(guò)1.2，則該建筑結(jié)構(gòu)屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)。對(duì)于高層建筑復(fù)雜混合結(jié)構(gòu)，如果該建筑物的單向偶然偏心地震作用下的位移比超過(guò)1.4以上，則屬于B類(lèi)扭轉(zhuǎn)特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)，如果該建筑物的單向偶然偏心地震作用下的位移比超過(guò)1.5以上，則屬于A(yíng)類(lèi)扭轉(zhuǎn)特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

2.2 凹凸不規(guī)則

如果建筑物的平面結(jié)構(gòu)中，凹進(jìn)的一側(cè)尺寸大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%以上，則屬于凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

如果建筑物的平面結(jié)構(gòu)中，平面比較狹長(zhǎng)，平面的尺寸大于相應(yīng)投影方向的5倍以上，也屬于凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)。

圖1 凹凸不規(guī)則平面結(jié)構(gòu)

2.3 樓板局部不連續(xù)

如果樓板的尺寸和平面剛度變化較大，比如樓板局部典型寬度的大于該樓板的有效寬度的50%（基本類(lèi)似于凹凸不規(guī)則結(jié)構(gòu)），或者樓板上存在開(kāi)洞，開(kāi)洞的面積占該樓板總面積的30%以上。

圖2 樓板局部不連續(xù)結(jié)構(gòu)

3 基于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的原則

在進(jìn)行平面不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)始終堅(jiān)持以下原則：

3.1 整體合理性原則

平面不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)本身具有一定的抗震缺陷，因此在進(jìn)行抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從建筑的整體進(jìn)行考慮，必須確保建筑整體結(jié)構(gòu)的合理性。局部的抗震性能好不代表建筑物在收到地震作用時(shí)，不會(huì)發(fā)生損傷或者破壞。相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須從整體角度出發(fā)，遵循建筑的基本規(guī)定和要求，確保建筑物整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和抗震，合理的引入抗震設(shè)計(jì)，提升建筑物的整體抗震性能。

3.2 結(jié)構(gòu)合理性原則

結(jié)構(gòu)合理是建筑物設(shè)計(jì)的核心原則。如果單純的為了建筑物的抗震性能，而忽略了結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，建筑物本身的穩(wěn)定性就已經(jīng)大打折扣，在地震災(zāi)難發(fā)生時(shí)，不僅不能抗震，而且收到損傷甚至坍塌的可能性會(huì)更高。因此，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮平衡和穩(wěn)定，降低建筑物側(cè)拉力，確保建筑整體結(jié)構(gòu)的合理和穩(wěn)定。

3.3 豎向均勻原則

地震發(fā)生時(shí)，建筑物在水平方向所受到的作用力會(huì)突然加大，會(huì)導(dǎo)致建筑產(chǎn)生一定的變形。如果建筑的豎向設(shè)計(jì)出現(xiàn)問(wèn)題，作用力不均衡，會(huì)導(dǎo)致建筑很容易因變形而產(chǎn)生扭曲，增大了建筑物損傷的可能性。而平面不規(guī)則建筑由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，很容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，因此，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)時(shí)，因局部突變或者扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，所產(chǎn)生薄弱部位應(yīng)當(dāng)避免，確保建筑的豎向和水平結(jié)構(gòu)布置，都具有較高的剛度和承載力分布。尤其是質(zhì)量中心、剛度中心的差異應(yīng)控制在最小。

4 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 結(jié)構(gòu)樓面凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)的調(diào)整

針對(duì)平面不規(guī)則呈現(xiàn)凹凸不規(guī)則或者樓板不連續(xù)的結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)對(duì)樓面的調(diào)整，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（1）合法：通過(guò)增設(shè)樓板（拉板、拉梁或陽(yáng)臺(tái)板、空調(diào)設(shè)備平臺(tái)板）的方法，提升建筑的抗震性能。

（2）分法：通過(guò)設(shè)置抗震縫，將建筑劃分成若干規(guī)則的子結(jié)構(gòu)，使得子結(jié)構(gòu)的相對(duì)規(guī)則，從而提升子結(jié)構(gòu)的抗震性能，同時(shí)為建筑物建立抗震的多道防線(xiàn)。對(duì)于低矮的弱連廊可以采用滑支座的方式提升抗震性能（如圖3所示）。

圖3 設(shè)防震縫或滑動(dòng)鉸支

（3）如果受到客觀(guān)條件影響，或者經(jīng)過(guò)分、合兩種方法均不能有效的提升建筑物的抗震性能。則需要用更為嚴(yán)格的方法進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計(jì)。常見(jiàn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

①針對(duì)于主體結(jié)構(gòu)：如果樓板局部大開(kāi)洞造成的明顯的薄弱部位，該薄弱部位應(yīng)采用彈性板提升抗震性能；如果樓板開(kāi)洞較多或較復(fù)雜時(shí)，應(yīng)整層采用彈性板提升抗震性能；如果建筑存在塔樓，塔樓之間的連廊應(yīng)采用彈性板設(shè)計(jì)。

②采取構(gòu)造措施，加強(qiáng)抗震延性：例如對(duì)樓板陰角、弱聯(lián)系樓板加厚及雙層雙向貫通配筋或設(shè)置開(kāi)孔鋼板；薄弱樓蓋與主體結(jié)構(gòu)交接處及其附近構(gòu)件，在抗震等級(jí)提高一級(jí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步保守設(shè)計(jì)，提高延性。

4.2 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)控制

在對(duì)平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)控制時(shí)，控制的目的在于降低結(jié)構(gòu)整體的位移比和周期比。位移比要控制在1.4以?xún)?nèi)，周期比要控制在0.85以?xún)?nèi)。常見(jiàn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

通過(guò)全面的了解平面各個(gè)部位的相對(duì)強(qiáng)弱，根據(jù)建筑總體剛度情況，或削強(qiáng)，或補(bǔ)弱，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布進(jìn)行均勻化調(diào)整，以減少偏心率；在偏心率已經(jīng)得到充分控制的前提下，進(jìn)一步調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)樓面的內(nèi)、外圈剛度比例關(guān)系，通過(guò)相對(duì)加強(qiáng)樓層的外圈剛度，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭能力，從而可以使周期比減小乃至于滿(mǎn)足要求。

常見(jiàn)的方法有：如果整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度不夠強(qiáng)，位移角剛剛能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求，這時(shí)需要加強(qiáng)外圈剛度；如果整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度已經(jīng)足夠強(qiáng)，位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，這時(shí)也可以考慮削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)筒的剛度。

例如：某建筑屬于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，由同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層形成10層的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，每層高度為3.3m，建筑總高度33m，各跨跨度均為6m。由于剪力墻的不對(duì)稱(chēng)布置，初始結(jié)構(gòu)平面導(dǎo)致結(jié)構(gòu)沿短軸方向不存在清晰的平動(dòng)振型，這意味著較大偏心率的存在（如圖4所示）。

圖4 某建筑剪力墻不對(duì)稱(chēng)布置

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果單純的在對(duì)稱(chēng)位置設(shè)置一個(gè)剪力墻，雖然結(jié)構(gòu)平面消除了偏心率，出現(xiàn)了純粹的平動(dòng)振型和純粹的扭轉(zhuǎn)振型，但是該平面導(dǎo)致第一振型為扭轉(zhuǎn)，不能滿(mǎn)足周期比要求，這說(shuō)明其抗扭剛度不足。

如果通過(guò)將對(duì)稱(chēng)布置的剪力墻保持對(duì)稱(chēng)地外移，形成如圖5平面，結(jié)構(gòu)外圈的剛度得到加強(qiáng)，扭轉(zhuǎn)周期后移，周期比被控制在0.9以?xún)?nèi)。建筑的抗震性能將得到極大的提高。

圖5 某建筑調(diào)整后剪力墻結(jié)構(gòu)

5 常見(jiàn)平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)用

5.1 四周布置剪力墻

通過(guò)大量的數(shù)據(jù)調(diào)研，地震發(fā)生時(shí)，由于建筑物的質(zhì)量位置和地發(fā)生震動(dòng)的空間變化具有不確定性，導(dǎo)致建筑物的角柱極易發(fā)生地震損壞。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心不能完全重合，存在移動(dòng)的偏心，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。因此，通過(guò)在抗震結(jié)構(gòu)的周邊設(shè)置剪力墻，可以有效的提升結(jié)構(gòu)在發(fā)生扭轉(zhuǎn)反應(yīng)時(shí)，抗扭轉(zhuǎn)的能力和剛度。

5.2 中心支撐、偏心支撐

常用的雙重抗側(cè)力體系有框架——中心支撐體系，由于其具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛度，能夠有效的防止非結(jié)構(gòu)構(gòu)件因地震的作用發(fā)生破壞。在彈性階段，偏心支撐鋼筋混凝土框架具有較高的抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)的非彈性變形通過(guò)支撐和耗能段梁的變形得到了有效的控制。這種結(jié)構(gòu)可以限制循環(huán)荷載作用下的非彈性性能，只可能出現(xiàn)在消能梁段，從而加強(qiáng)了因地震產(chǎn)生的破壞能量的吸收和消耗作用。因此，此結(jié)構(gòu)被常用于強(qiáng)震區(qū)。

5.3 引入消能減震設(shè)計(jì)

通過(guò)在建筑物的結(jié)構(gòu)中放置一定數(shù)量的消能設(shè)備，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，消能裝置會(huì)增加結(jié)構(gòu)體系的尼系數(shù)，減少地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用。如果發(fā)生的地震較高時(shí)，進(jìn)入彈塑性狀態(tài)的消能裝置，可以消耗地震的作用力，從而提升了建筑物的抗震性能。常見(jiàn)的消能設(shè)備裝置有：屬屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘彈性阻尼器和粘性流體阻尼器等。

與傳統(tǒng)的加固技術(shù)相比，消能減震法主要優(yōu)勢(shì)有：

（1）現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，可以做到無(wú)濕作業(yè)，原建筑的正常功能使用不受影響。

（2）既能提升建筑的抗震性能，又不改變建筑的外貌。

（3）抗震性能效果明顯，可滿(mǎn)足各種地震設(shè)防等級(jí)的要求，適應(yīng)性比較好。

（4）相對(duì)施工成本和施工周期較低。

5.4 選擇合適的基礎(chǔ)

基礎(chǔ)是建筑工程的核心，它與上部結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)，關(guān)系著整個(gè)建筑的抗震性能。因此，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)通過(guò)整體進(jìn)行考慮。如果建筑的結(jié)構(gòu)由離散的剪力墻組成，長(zhǎng)度和寬度的剛度存在差異，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇由基礎(chǔ)底板和蓋板組成的剛性箱式板式基礎(chǔ)；如果建筑具有獨(dú)立的基礎(chǔ)構(gòu)件，在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在兩個(gè)主方向的構(gòu)件之間，使用基礎(chǔ)底板或基礎(chǔ)系梁。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，建筑的抗震性能成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在地震發(fā)生時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)不僅會(huì)受到地震作用的影響，出現(xiàn)水平和豎向的振動(dòng)，還很有可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)震動(dòng)。而平面不規(guī)則形結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)的不規(guī)則，相對(duì)偏心可能性較大，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的可能性更高，在地震發(fā)生時(shí)，遭受損壞甚至坍塌的幾率也較大。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須不斷的對(duì)平面不規(guī)則建筑進(jìn)行研究總結(jié)，提升自身專(zhuān)業(yè)能力，提升結(jié)構(gòu)的科學(xué)布置，增強(qiáng)建筑的抗震性能，推動(dòng)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展。

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