建筑结构的规则性探讨

建筑结构抗震设计—课程论文

建筑结构的规则性

学生姓名 松 学 号 08134120 院 系 工学院土木系 专 业 土木工程 课程教师 梁超峰 完成日期 2011-05-20

建筑结构的规则性

摘 要:建筑结构不规则可能造成较大地震扭转效应，产生严重应力集中，或形成抗震薄弱层。因此，在建筑抗震设计中，应使建筑物的平、立面布置规则、对称，具有良好的整体性。质量和刚度变化宜均匀，防止在平面上质量中心与刚度中心不重合而造成严重的扭转振动。竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变而形成薄弱层。 关键词: 建筑结构；不规则类型；判定和处理

引言

结构设计规范明确要求,建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应有良好的整体性,建筑的立面和竖向剖面宜规则,结构的侧向刚度宜均匀变化,不应采用严重不规则的结构方案,但随着我国经济实力和科学技术水平的提高,人们的思想观念不断更新,严格意义的规则建筑已经很难见到,取而代之的是大批新颖别致、标新立异、彰显个性的建筑物。各地大量涌现的现代建筑物几乎都是不规则或是严重不规则的,如希尔顿饭店、深圳发展中心、电视台等,都是不规则建筑的典型代表,它们的出现既给城市建筑带来了崭新的面貌,同时又给结构设计人员提出了严峻的挑战。如何遵循规范精神,对不规则建筑结构进行结构设计与计算分析,成为工程设计中必须解决的重要课题。

建筑结构的不规则类型可分为平面不规则和竖向不规则。本文主要从不规则结构的判定、震害和处理措施结合实例来叙述。

1 结构不规则类型

大致可分为平面不规则和竖向不规则。

1.1 平面不规则

1)扭转不规则：楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍;

2)凸凹不规则：结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%。①平面狭长,在抗震设防烈度为6、7度时,平面长宽比大于6.0(8度抗震时大于5.0);②凹进尺寸太多,平面凹进一侧的尺寸大于相应投影方向总尺寸的0.35(8度时大于0.3);

③凸出过细,凸出部分的长宽比大于2.0(8度时大于1.5);

3)楼板局部不连续：楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层。

1.2 竖向不规则

1)侧向刚度不规则：楼层侧向刚度小于相邻上部楼层的70%，或小于其上相

邻三层平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平尺寸大于相邻下一层的25%。

2)竖向尺寸突变：①高层结构上部楼层收进部位到室外地面高度大于房屋高度的20%，上部楼层收进的水平尺寸大于相邻下一层的25%；②高层结构上部楼层外挑，下部楼层的水平尺寸小于上部尺寸的90%，且水平外挑尺寸大于4m。

3)竖向抗侧力构件不连续：竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架等)向下传递。

4)楼层承载力突变：A级高层建筑的层间受剪承载力比小于0.8，B级高层小于0.75。

5)结构的周期比过大：A级高层建筑不应大于0.9，B级高层建筑和复杂高层建筑不应大于0.85。

6)复杂高层结构：带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构等。

2 不规则震害举例

2.1工程概况：陇南气象局办公楼位于武都市的小山包上，山包高出正常地面50米左右，办公楼位于小山包边侧20米。该楼层为三层、局部四层，三四层两部分间连为一体未设防震缝。四层为偏向三层端头的局部突出部分，为竖向不规侧布置，室内又为旷大房间。该楼已建成使用25年。 2.2震害描述：

四层突出的局部大房间四周外墙：①纵向窗间墙严重X形开裂，，伴有墙

上下错断；②纵墙砖柱及构造柱错断，构造柱钢筋已锈蚀；③山墙X形开裂，伴有层底水平错动及向外倾斜；④钢窗压斜变形，外贴面粉刷大片脱落。

三层主体办公楼震害：①三层山墙X形裂缝及窗洞后填墙周裂缝、外贴面砖粉刷脱落;②纵外墙窗顶水平裂缝及外贴面砖粉刷局部脱落。 2.3震害原因分析：

①该楼位于小山包边侧，根据调查发现该地区小山包震害比平地上房屋震害严重，地震反应增大，其增大系数约在1.3至1.5间；

②该楼四层比三层高出一层，局部突出产生较大的结构鞭梢效应； ③该楼四层位于主体三层的端部，质量刚度不均，产生较大的扭转效应； ④该楼四层房间空旷，承载力和刚度均发生了突变。

该楼的严重震害，典型的说明了小山包上竖向不规则砖混结构产生了较强的地震增大效应、鞭梢效应和扭转效应，从而产生较大的水平地震剪力，而空旷四层砖房墙体的抗剪能力很差导致该楼破坏严重。

3 不规则的判定

具体可根据表格内概念来判定不规则类型

表1 平面不规则的主要类型

不规则类型 定义和参考指标 在规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层扭转不规则 两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的 1.2 倍 凹凸不规则 平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的 30％ 楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的 楼板局部不连续 50％，或开洞面积大于该层楼面面积的 30％，或较大的楼层错层 表2 竖向不规则的主要类型

不规则类型 定义和参考指标 该层的侧向刚度小于相邻上一层的 70％，或小于其上相邻三个楼层侧向侧向刚度不规则 刚度平均值的 80％；除顶层 或出屋面小建筑外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的 25％

竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、竖向抗侧力构件不连续 桁架等）向下传递 楼层承载力突变 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的 80％

4 不规则的处理

建筑形体及其构件布置不规则时，应按下列要求进行地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施：

4.1 平面不规则而竖向规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，并应符合下列要求：

1）扭转不规则时，应计入扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的 1.5 倍，当最大层间位移远小于规范限值时，可适当放宽；

2）凹凸不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型 ；高烈度或不规则程度较大时，宜计入楼板局部变形的影响； 3）平面不对称且凹凸不规则或局部不连续，可根据实际情况分块计算扭转位移比，对扭转较大的部位应采用局部的内力增大系数。

4.2 平面规则而竖向不规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力应乘以不小于 1.15 的增大系数，其薄弱层应按本规范有关规定进行弹塑性变形分析，并应符合下列要求：

1）竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应根据烈度高低和水平转换构件的类型、受力情况、几何尺寸等，乘以 1.25～2.0 的增大系数；

2）侧向刚度不规则时，相邻层的侧向刚度比应依据其结构类型符合本规范相关章节的规定；

3）楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的 65％。

4.3 平面不规则且竖向不规则的建筑，应根据不规则类型的数量和程度，有针对性地采取不低于本条 1、2 款要求的各项抗震措施。特别不规则的建筑，应经专门研究，采取更有效的加强措施或对薄弱部位采用相应的抗震性能化设计方

法。

4.4 体型复杂、平直面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝，并分别符合下列要求： 1）当不设置防震缝时，应采用符合实际的计算模型，分析判明其应力集中、变形集中或地震扭转效应等导致的易损部位，采取相应的加强措施。

2）当在适当部位设置防震缝时，宜形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差以及可能的地震扭转效应的情况，留有足够的宽度，其两侧的上部结构应完全分开。 3）当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。

有经验的有抗震知识素养的建筑设计人员，应该对所设计的建筑的抗震性能有所估计，要区分不规则、特别不规则和严重不规则等不规则程度，避免采用抗震性能差的严重不规则的设计方案”

不规则——超过表1、2中一项及以上的不规则指标

特别不规则——多项均超过表1、2中一项及以上的不规则指标，或某一项超过规定指标较多，具有较明显的抗震薄弱部位，将会引起不良后果者； 严重不规则——体型复杂，多项不规则指标超过表中条上限值，或者某一项大大超过规定值，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果者。 结构平面不规则判别准则中，凸凹不规则、楼板不连续等都较直观，较易宏观把握。扭转不规则，是结构平面不规则中最重要控制指标，它主要有两项结构扭转特性指标——扭转变形指标和扭转刚度指标，需做专门的分析和计算。

5. 结束语

综上所述,对于现代城市日益涌现的造型新颖别具一格的不规则建筑,结构设计人员应细心分析各种情况,从概念设计人手。找出结构的重点和薄弱点,因势利导克服不利因素,使整个结构在平面和竖向合理地布置结构刚度,避免和减少结构可能出现的薄弱部位,同时加强薄弱部位的构造措施,使建筑物从一个貌似不规则的建筑调整成一个结构上的规则建筑,只要结构工程师认真分析,抓住重点,强化构造,不规则结构的设计问题是可以解决的。

参考文献:

[1] 薛素铎，赵均，高向宇. 建筑抗震设计. 北京：科学出版社, 2007. 2版 [2] 丁圣果, 肖常健, 丁婷. 不规则多高层结构概念设计的几点浅见. 建筑科学, 2007, 9.

[3] 陈孟芝. 平面和竖向不规则高层建筑结构概念设计探讨 . 杭州：国外建材科技, 2006年第27卷第5期

[4] 韩 辉. 基于高层建筑结构设计中平面不规则问题的分析与处理 .毕业论文