平面不规则高层抗震性能完善制作

GB50011-2010建筑抗震设计规范［1］中将高层钢筋混凝土结构平面不规则分为扭转不规则、凹凸不规则及楼板局部不连续三种类型，并分别给出了明确的定义，规定了一些定量的界限，即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倍为扭转不规则，结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%为凹凸不规则，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层面积的30%，或较大的楼层错层为楼板局部不连续。但在工程实际中，由于建筑类型繁多，并追求建筑功能的多样性，还存在很多引起建筑结构不规则的因素，例如建筑型体复杂多变，具有转换层、加强层、错层和多塔、连体的高层混凝土结构，很难全部用这些简化的定量指标来划分其不规则程度并规定限制范围。

《抗震设计规范管理组的统一培训教材》［2］中对混凝土结构规则与不规则性进行了具体的总结和归纳，细化了平面不规则建筑方案的基本类型并分别赋予其简要涵义，明确其主要定量界限，即扭转不规则(按非柔性楼盖考虑偶然偏心的扭转位移比大于1．2)，偏心布置(偏心距大于0．15或相邻层质心相差较大)，凸凹不规则(平面凸凹尺寸大于相应边长30%等，含穿层柱)，组合平面(细腰形或角部重叠形)，楼板不连续(有效宽度小于50%，开洞面积大于30%(不计电梯井道，但深凹口加设连梁仍按凸凹不规则判别)，错层大于梁高)。同时，还应注意:当建筑平面有深凹口，即使在凹口处设置连梁，但该部位的楼板不足以视为刚性楼板，只能作为弹性板计算时，则仍处于凸凹不规则，不能因设置连梁而作为楼板开洞处理。

设防烈度不同，上述不规则建筑方案的界限相同，但设计要求有所不同。烈度越高，不仅仅是需要采取的措施增加，体现各种概念设计的调整系数也要加大。大量震害表明，存在凹凸不规则、楼板不连续的结构在地震作用下，由于受力复杂、传力不明确，易造成结构局部薄弱部位率先发生破坏，严重者甚至导致整个结构倒塌。国内外许多大型振动台试验的观测结果显示，平面不规则结构易产生扭转振动并发生扭转脆性破坏。

1基于性能的优化设计方法

建筑的抗震设计依赖于设计人员的抗震设计理念，抗震设计由抗震计算和抗震措施两个不可分割的部分组成，且良好的概念设计是建筑结构抗震性能的决定因素。而抗震性能化设计，是建立在概念设计基础上的抗震设计新发展。地震作用时，当结构受到扭矩作用，离刚心越远的竖向构件所承受的水平剪力越大，为了防止结构主要竖向构件发生脆性剪切破坏，充分发挥结构体系的延性及耗能性能，结构抗震设计时应采取有效措施严格控制结构的扭转效应并充分估计结构可能产生的扭转效应，以提高结构的抗扭能力。分析表明，结构抗扭刚度主要取决于竖向结构布置，应弱化平动刚度、强化抗扭刚度，结构设计应加强薄弱部位的抗震措施，增加结构的整体性和延性，改善结构变形能力，从而实现预定的抗震设防目标。

调整结构平面布置的不规则性，减小结构相对偏心距，根据具体情况适当增加或者减少离质心较远处的剪力墙，在建筑允许的情况下，尽量加长或加厚周边剪力墙尤其是离刚心最远处的剪力墙，在结构周边加设拉梁，加强周边连梁刚度，可以增强结构抗扭刚度。减少核心筒的剪力墙厚度或采用弱连梁连接剪力墙，从而减少核心筒刚度，削弱结构侧移刚度，结构刚心附近的剪力墙对结构抗扭刚度贡献不大，但对侧移刚度贡献较大，因此削弱刚心附近的剪力墙，可以加大第一平动周期。在既不能加强周边剪力墙也不能削弱中部剪力墙的情况下，可以适当加强周边框架梁的刚度，从而对结构整体形成套箍效应，增强结构抗扭刚度，减小结构扭转周期，显然这种方法是不经济的，只有在以上办法都行不通的情况下迫不得已才采用。同时还应调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比，控制结构周期比。适当提高周边抗扭构件的抗剪能力，增强结构抗扭能力安全度。

目前关于结构整体扭转破坏的机理研究还不是很深入，地震波的扭转分量作用目前也不能定量分析，关于结构周期比及位移比的限值也是基于结构弹性分析得出的结论，对于结构进入弹塑性状态下整体结构的扭转性态的研究还相当不成熟。在这种情况下，仅仅依靠调整结构布置使其满足规范对周期比和位移比的要求并不能完全保证结构在中震和大震作用下的安全。实际上当结构进入非弹性阶段，在双向水平地震作用下本来是对称的结构，也会出现随变形状态而变化的偏心，如一角柱的变形进入塑性状态后，刚度完全不同于弹性阶段，而其他角柱可能仍处于弹性状态，这时，水平力会产生很大扭转效应，从而可能导致结构破坏。从基于性能的抗震思想出发，对于那些对抗扭效应控制特别重要的构件如周边剪力墙等应特别加强其抗剪能力，使其保证在中震作用仍然处于弹性状态，从而达到保证结构“中震不坏，大震不倒”的目标。

2工程实例计算分析

合肥某小区住宅，地上18层，建筑层高2．9m，檐口高度高于52．2m，工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0．10g，根据《岩土工程勘察报告》和《场地地震安全性评价应用报告》，工程建筑场地类别为Ⅱ类，结构标准层平面见图1，标准层结构布置如图1所示。结构貌似规则，但实际左右两边不对称，造成一定偏心，而且结构平面有两处凹进，同时建筑大面积开窗，周边不能设置太多剪力墙，造成结构抗扭刚度较小，初步结构方案时出现周期比和位移比均超出规范要求。

两处凹口远端增设500mm×250mm楼层梁;2)在满足建筑的要求下，将结构周边的四片剪力墙Q1，Q2，Q3，Q4加长，并减少刚心附近剪力墙;3)施工图设计时，考虑到Q1，Q2，Q3，Q4对控制结构扭转效应特别重要，由基于性能的抗震设计概念出发，适当加强了剪力墙的水平筋以提高其抗剪能力，提高了结构在中震和大震作用下的安全度;4)外墙的角窗将严重削弱结构的抗扭刚度，故将角窗楼板适当加厚、配筋适当加强，并于楼板内设置暗梁。采取相应的抗震措施经过上述结构调整后，结构satwe计算结果如表1所示。

计算结果表明，结构自振特性良好，第一周期和第二周期都是平动，且两周期接近，前三周期没有出现振型耦联的混合型振型;第一扭转周期T3与第一平动周期T1之比T3/T1=0．84＜0．85，满足规范要求。在考虑偶然偏心的情况下，地震作用下X向及Y向楼层竖向构件的最大水平位移与该楼层水平位移平均值的比值分别为1．11和1．20;地震作用下，X方向和Y方向最大值层间位移角分别为1/1256和1/1407。从计算结果来看，通过上述结构调整后，不仅结构各项指标满足规范要求，而且达到较理想的结果，从而使设计的结构安全可靠，经济合理。

3结语

平面规则性对建筑结构的抗震性能具有重要的影响，国内外大量的震害表明:结构平面不对称、不规则、不连续易使结构发生扭转破坏，严重者可导致整个结构破坏倒塌。因此平面布置力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位;避免在凹角和端部设置楼电梯间;避免楼电梯间偏置，以免产生扭转的影响。建筑的结构平面布置应做到结构的两个主轴方向的动力特性相近，满足平面规则、楼板连续的规则性要求，应弱化平动刚度、强化抗扭刚度，控制地震作用下结构扭转激励振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。薄弱部位要加强抗震计算措施和抗震构造措施，增强薄弱部位混凝土的约束，推迟塑性铰出现，提高延性，从而实现预定的抗震设防目标。