建筑结构设计中不规则设计问题分析与探讨

摘要：随着我国经济水平的不断提高，不规则建筑结构大量涌现，如何分析和设计不规则结构是必须解决的重要问题。本文就此作出了深入的分析探讨，可供同行建筑设计师参考借鉴。

关键词：现代建筑； 不规则结构； 结构设计

前言

在现代城镇建设中，不规则的建筑结构往往是不可避免的，而且正是这些造型新颖别致的不规则建筑物，给居住环境带来气象万千，别具一格的人文景观。因此，对不规则结构不应一味地排斥、拒绝，而应当因势利导，趋利避害。只要深入领会规范的精神，把握住工程的实际情况，抓住优化设计方案，合理选择计算方法和计算参数，认真分析薄弱部位和地震力调整，强化抗震构造措施等设计环节，就能使不规则结构的设计问题迎刃而解。

一、特征

1、 第一类： 平面不规则结构。一是扭转不规则：位移比大于 1.2。二是凸凹不规则：①平面狭长，在抗震设防烈度为 6 度、7 度时，平面长宽比大于 6.0（8 度时大于 5.0）；②凹进太多，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）。三是楼板局部不连续：①楼板开洞凹入后，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的 50%；②开洞面积大于该层楼面面积的30%；③采用细腰形平面；④有较大的楼层错层。

2、第二类：竖向不规则结构侧向刚度不规则：①楼层侧向刚度小于相邻上部楼层的70%或其上相。邻三层平均值的 80%；②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%；③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；④结构顶部取消部分墙、柱形成空旷房间。二是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。三是楼层承载力突变：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。

3、第三类： 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。

4、 第四类： 超规范结构。一是超高结构，超过了规范规定的最大高度。二是超限结构，超过了规范规定的其它限值。三是新型结构，特指采用新材料、新工艺、新技术建造的，规范没有涉及的新的结构类型。超规范结构由于其超过规范的限值，或违反规范强制性条文的规定，或没有现成的规范条文作依据，没有成熟的技术可借鉴，不论其平面立面的布置是否规则，都将其定为不规则结构，以便从严设计审查，显然是非常必要的。

二、设计计算

1、 优化设计方案：一是调整结构方案，加强结构抗扭刚度，减小结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心矩。二是对平面凸凹不规则结构，可以设置防震缝或滑动铰支撑，形成多个较规则的抗侧力结构单元。三是对楼板不连续结构，可以设置拉梁或拉板，减少楼板的不连续程度。四是对楼层刚度突变和承载力突变的结构，应改进设计减少结构竖向的不规则程度。

2、选择合理的计算分析方法。一是多遇地震作用和弹性工作状态下的内力和变形分析第一阶段设计可假定结构与构件处于弹性工作状态，内力和变形设计可采用线性静力方法或线性动力方法。常用的结构分析方法有：（1）底部剪力法，适用于：规则的多层结构；规则的高度不超过 40m高层结构。（2）振型分解反应谱法，这是 SATWE 软件主要的计算分析方法，适用于：规则的多高层结构；一般不规则多高层结构；特别不规则的高层结构。（3）弹性时程分析方法，应采用二组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，即单条波计算的结构总地震剪力不小于按反应谱方法计算的65%，多条波计算的平均值不小于反应谱法的 80%。SATWE 软件包含该分析方法，其适用于：7 度～9 度抗震设防的甲类高层结构，复杂高层结构，特别不规则的高层结构。二是罕遇地震下的弹塑性变形验算。第二阶段设计是对大震下容易倒塌的不规则结构和有特殊要求的结构进行弹塑性分析验算，结构在大震下的薄弱部位，位移限值，塑性铰位置及其发生的时刻，以便有针对性地采取抗震构造措施。主要分析方法有：弹塑性时程分析方法和静力弹塑性（推覆）分析方法。弹塑性变形验算方法适用于：12 层以下纯框架结构（可用简化的弹塑性时程分析验算）；特别不规则的高层结构；严重不规则的高层结构。该类结构除计算分析外，还应按建设部令 111 号规定，在结构初步设计阶段申报抗震设防专项审查。应当指出，对高烈度地区重要的、标志性的不规则建筑物，由于其社会影响和经济利益巨大，必须提高抗震设防标准，由“中震可修”提高到“中震不坏”，因此对这类结构的关键构件和薄弱部位，应采用比规范更严格的抗震要求，如中震不屈服设计、中震弹性设计或大震承载力验算。主要措施是：①根据抗震设防烈度，提高最大地震影响系数，如采用中震或大震的影响系数；②根据扭转变形指标位移比的增大程度，适当从严控制地震作用下层间最大位移角的限值。

3、强化抗震措施。抗震措施是大量震害的教训总结，是众多专家学者设计经验的概括，是抗震计算结果的合理有效补充，尤其是对特别不规则和严重不规则的结构，由于其结构体系过于复杂，很难满足结构计算软件的技术条件和基本假定，精确的解析其实并不精确，计算误差往往很大，不符合工程的实际情况，从这个意义上说，抗震措施比抗震计算更重要！因此在规范中，抗震构造措施大多用强制条文书写，设计人员无论是否完全理解这些条文的含义，都应当坚决遵照执行。

三、电算参数设置

1、扭转耦联。从理论分析和工程实例计算得知，考虑扭转耦联影响的计算适用于任何空间结构，非耦联计算通常用于平面结构。因此，空间分析软件 SATWE 取消了是否选择扭转耦联的选项，在结构计算中总考虑扭转耦联的影响，显然这对扭转不规则结构的计算分析是十分有利的。

2、振型数量。《高规》规定，抗震计算时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于 15，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的 90%。为了保证抗震计算结果准确，必须选取足够多的振型数量，使有效质量系数大于 0.9。但振型数也不能取的太多，不能超过结构有质量贡献的自由度总数。SATWE 软件计算振型数的缺省值为 15，设计人员可以根据工程实际情况自行修改。对于不规则的建筑结构，特别是具有弹性楼板，楼板开大洞，错层，跃层，多塔等结构，由于有质量贡献的自由节点数大大增加，选择的振型数也必须大大增加，才能确保有效质量系数大于 0.9，使抗震计算结果真实可信。

3、双向地震。《抗震设计规范》强制条文规定，质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响。但“明显不对称的结构”如何衡量呢，如果没有明确的标准，强制条文岂不成为可执行可不执行？建议设计人员将本文提出的特别不规则结构作为明显不对称、不均匀结构，考虑双向地震影响。

4、设置弹性楼板。当结构平面凹凸不规则，楼板不连续，楼板开大洞等情况形成狭长板带时，当连体结构采用弱连接楼盖连接两翼主体结构时，当采用框支剪力墙转换结构时，该部位的楼板不应采用刚性楼板假定计算，而应采用弹性楼板模型计算地震作用效应，即在SATWE 软件特殊构件设置中将其设定为弹性板。

四、结语

随着我国经济实力和科学技术水平的大幅提升，人们思想观念的不断更新，严格意义的规则建筑已经很难见到，代之而起的是大批新颖别致，标新立异，张显个性的建筑物，各地大量涌现的现代新型建筑物几乎都是不规则或很不规则的，它们的出现既给城镇建设带来了崭新的面貌，又给工程设计人员提出了严峻的挑战，如何按照规范精神，进行不规则建筑结构的抗震设计与计算分析，成为工程设计中必须解决的重要课题。

参考文献

[1]北京市建筑设计技术细则（结构专业）[S].

[2]徐培福等.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.