平面不規(guī)則結構抗震設計策略探究

李晶晶 （安徽建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著建筑行業(yè)施工技術發(fā)展，平面不規(guī)則結構建筑物越來越受到重視，可有效提升建筑物的美觀性，對其進行結構設計，提升安全性能至關重要。實踐表面，平面不規(guī)則結構遇到地震災害時，不僅出現(xiàn)水平方向或豎向振動，而且存在扭轉振動問題，對其抗震等級進行優(yōu)化設計，可提升建筑整體質量。

1 平面不規(guī)則結構相關概念界定

1.1 質量偏心

質量偏心主要指樓層每一部分在構件截面的尺寸上存在差異，使得各處質量不均勻。這種質量偏心問題也存在于質量系統(tǒng)結構中，造成這一問題出現(xiàn)的主要原因是建筑施工材料性能和質量上存在差異，并且相關材料在具體使用環(huán)節(jié)受到未知因素影響較大。實踐研究中，若將建筑物中平面不規(guī)則結構自重看成隨機變量，則通過概率分布的知識可得到以下結論：即權衡質量分布不均勻造成的建筑平面偶然偏心朝向應與地震作用力方向相互垂直。

1.2 強度偏心

不規(guī)則平面強度問題在實際工作中，容易被忽略。在抗震設計中，應考慮構件在不同條件下的屈服強度。正是由于實際屈服期間，平面不規(guī)則結構的強度經(jīng)常發(fā)生變化，使得相關數(shù)值確認存在一定難度，因此，在建筑物抗震設計中，應對質量偏心和強度偏心等要素進行控制。具體設計中，建筑物配筋方案選擇、構造環(huán)節(jié)要求和材料使用標準等問題均會影響實際屈服強度。

1.3 剛度偏心

對剛度定義應區(qū)分名義剛度與實際剛度。名義剛度偏心主要是在理想模型的設計中，對構件截面尺寸、彈性模型進行計算得到的數(shù)值。而實際剛度偏心則主要是對建筑施工后，不規(guī)則結構的荷載分布與位移比值。實際上，對剛度的計算受到建筑材料性能、施工穩(wěn)定性和工藝技術等方面因素影響，對其進行明確計算較為困難，因此引入剛度偏心概念，對平面結構剛度出現(xiàn)的變化進行分析。

2 某平面不規(guī)則結構抗震設計方法

2.1 項目簡述

該平面不規(guī)則高層建筑為民用住宅樓，以剪力墻結構為主要構造，建筑整體面積達到2萬m，建筑物分為地上與地下結構，其中地上26層，地下兩層。地下設計為儲藏室與車庫，地上一層為物業(yè)辦公室和儲存空間，地上2層以上部分作為民用住宅。項目整體結構滿足2級安全等級，屬于50年使用年限，并且抗震設防烈度等級為7度，基本地震加速度為0.10g，建筑工程抗震設防種類滿足丙類標準。

2.2 設計方案

在不規(guī)則平面結構抗震設計中，相鄰結構碰撞造成的地震災害相對常見，應設計防震縫，倘若縫隙寬度較小，會造成結構遭受破壞。目前，在項目設計中，應結合地基基礎，對設計方案進行調整，使得不規(guī)則結構設計更加合理，滿足結構抗震要求。值得注意的是，在外觀復雜、平面不規(guī)則的建筑中，應結合實際情況對防震縫進行設計，使得相關指標達到防震標準。

針對項目施工而言，應結合平面不規(guī)則建筑的復雜水平，對方案進行優(yōu)化設計，在本質上提升建筑物的抗震等級。抗震設計方案主要包括以下兩種：其一，是設置縫隙，不規(guī)則平面結構劃分為規(guī)則平面；其二，不設置縫隙，以平面不規(guī)則結構的種類和特征為出發(fā)點，制定合理技術方案。在抗震方案設計中，應權衡幾方面內容：考慮施工現(xiàn)場實際情況影響，通過不設縫方案應用，使得抗震方案應用與建筑物本身相協(xié)調，增加建筑物防震標準，結合抗震災害等級等相關要求，當建筑物高度達到100m，超過建筑標準，防震縫隙設計值應超過標準推薦值，使得建筑物本身性能獲得提升。

抗震設計中，應對平面不規(guī)則結構特征進行評估。在本項目評估中，對建筑物得到規(guī)則性進行研究，應考慮建筑本身受到的地震作用力。具體設計過程中，也權衡了偶然偏心，對建筑物外觀特征進行明確，發(fā)現(xiàn)其位移比值在1.18，小于1.20這一限值，在整體上，將該建筑項目界定為平面不規(guī)則結構。同時，考慮到結構平面凹陷50%，超過規(guī)則平面典型寬度35%。并且該建筑結構中，其樓板的有效寬度達到平面典型寬度的45%，與平面典型寬度存在較大差異，因此，樓板局部呈現(xiàn)出不連續(xù)特征。方案設計中，也充分考慮了豎向規(guī)則方面內容，對建筑物豎向結構間斷、承載力和剛度等數(shù)值進行嚴格要求，并且結合行業(yè)最新標準，對不規(guī)則建筑防震設計標準進行明確，使得建筑本身更加安全可靠。

2.3 結構計算

根據(jù)平面不規(guī)則結構抗震設計要求，對建筑結構中的主要參數(shù)進行計算，參考不同結構面的特征，設計相關計算步驟。為提升計算精準度，選擇應用了最新技術軟件PMSAP，對結構整體進行計算；而針對項目弱連接部位，例如，樓板局部應力，使用了ETABS軟件，對相關計算模型進行明確。

在實際計算過程中，應充分考慮地下樓頂版和以上嵌固端，并且關注偶然偏心和雙向地震作用對整個計算過程的影響，對建筑物的整體抗震等級進行核算。針對本項目設計進行考察，發(fā)現(xiàn)不規(guī)則結構連接剛度存在一定折減系數(shù)。周期折減系數(shù)分別為28、0.7、和0.9。建筑物一般指標明確如下：梁、板混凝土等級為C30；墻、柱混凝土強度等級為C45～C30，整體結構抗震等級為3級。

對本項目中，平面不規(guī)則結構計算結果明確如下：由于地震作用力影響，相關結構出現(xiàn)水平方向、豎直方向以及扭轉變形，對其不同環(huán)節(jié)的周期值進行計算。其中水平方向周期值為2.48s，豎直方向為2.56s，扭轉作用發(fā)生周期為2.20s，對該建筑物的結構周期比進行計算，其數(shù)值為0.88，不超過限定值0.90，因此，本項目不規(guī)則結構建筑具有較強的抗震性能。

研究過程中，也對建筑物的抗扭轉剛度進行明確，水平方向和豎直方向的剛度值分別為5.88和4.65，相關數(shù)值符合建筑物設計標準規(guī)范，可忽略由此發(fā)生的重力二階效應?？紤]到地震作用力影響，應對水平方向位移最大值進行明確，根據(jù)實際測量結果，其位移最大值為1/1200。以建筑樓層14層為測量點，對豎向最大位移值進行分析，結果為1/1150，并且對水平方向和豎直方向的彎曲變化進行分析，相關結果在理論上符合剪力墻結構受力特征，在結構上具有一定的抗震強度。

針對平面不規(guī)則結構而言，受到地震作用力影響，建筑物本身會在凹角位置發(fā)生集中變形，使得樓板出現(xiàn)損壞，影響結構整體安全性。對其進行抗震設計與研究具有重要意義，可預防其局部破壞或坍塌，是目前建筑安全設計的重要組成部分。本項目，在設計過程中，增加了兩側單元結構的剛度與強度，對相關質量偏心問題進行研究，使得不規(guī)則結構建筑在整體上趨向穩(wěn)定性。同時，考慮到地震造成的扭轉作用力較大，在具體設計中，增加了抗扭轉防護措施，使得局部連接構件的抗震性能提升?？傊?，在建筑物結構設計中，應用了先進理念和方法，出于建筑物本身安全性考慮，對建筑材料使用標準、構件剛度要求和質量等相關參數(shù)進行嚴格要求，同時，強化平面不規(guī)則結構抗震設計薄弱環(huán)節(jié)。

3 結論

綜上所述，在平面不規(guī)則結構抗震設計中，應結合項目實際情況，對抗震設計方法進行明確，同時完善設計方案，做好建筑物結構計算，使得抗震設計更加規(guī)范合理。研究表明，在平面不規(guī)則建筑中，扭轉作用力使得建筑結構的抗震性能明顯減弱，應考慮建筑結構強度、剛度和質量偏心問題，保證結構主體安全性與穩(wěn)定性，達到理想的抗震性能。