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浙江華東工程建設(shè)管理有限公司 浙江 杭州 311100

1 不規(guī)則性分類

建筑的不規(guī)則主要分為平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則兩類。平面不規(guī)則主要包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、平面的凹凸不規(guī)則、樓板的局部不連續(xù)三類；豎向不規(guī)則主要包括側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)、樓層受剪承載力突變?nèi)怺1]。

2 不規(guī)則性產(chǎn)生的原因

2.1 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則

規(guī)范通過位移比來判斷建筑是否扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，當(dāng)建筑的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2時(shí)，可以判定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)。

2.1.1 建筑的長寬比過大。平面越狹長的建筑，結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中的偶然偏心距就越大，抗側(cè)力構(gòu)件布置稍有不好，就會(huì)使建筑位移不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致兩端的豎向構(gòu)件最大層間位移與最小層間位移相差過大，扭轉(zhuǎn)位移比超限。

2.1.2 豎向構(gòu)件的布置與受力狀態(tài)不協(xié)調(diào)。建筑的荷載一般不是均勻布置，存在受荷大小差別、柱距差別等。豎向構(gòu)件的抗側(cè)剛度如果沒有根據(jù)荷載不同，柱距不同等這些變化因素做相應(yīng)的調(diào)整，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均衡，使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。

2.2 平面的凹凸不規(guī)則

《抗規(guī)》指出建筑平面凹進(jìn)的尺寸大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%時(shí)，可以判定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。建筑的外輪廓決定了該建筑是否屬于凹凸不規(guī)則，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一般不能改變。當(dāng)凹凸情況較為復(fù)雜時(shí)，對不規(guī)則的判別應(yīng)進(jìn)行多角度、多方向的比較，取不規(guī)則程度較低的數(shù)值來判斷。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，我們會(huì)碰到建筑平面存在深凹口的情況。當(dāng)在凹口處設(shè)置的樓面連梁截面較小時(shí)，由于該連梁不能有效的協(xié)調(diào)兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變形，需要按彈性樓板計(jì)算，則該建筑仍屬于凹凸不規(guī)則，不能按樓板開洞計(jì)算，設(shè)置該拉梁的作用只是作為凹凸不規(guī)則的加強(qiáng)措施。當(dāng)在凹口處的連梁截面足夠大時(shí)，由于該連梁能有效地協(xié)調(diào)兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變形，符合剛性樓板假定，則可按樓板大開洞考慮。需要注意的是，采用加大連梁連接剛度的措施應(yīng)有利于不規(guī)則項(xiàng)的合并，減少不規(guī)則項(xiàng)，當(dāng)凹凸已經(jīng)是一項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)時(shí)，應(yīng)仍按凹凸計(jì)算，當(dāng)樓板大開洞已經(jīng)是一項(xiàng)不規(guī)則項(xiàng)時(shí)，應(yīng)按樓板大開洞計(jì)算。具體可見圖1。

圖1 深凹口房屋平面圖

2.3 樓板局部不連續(xù)

《抗規(guī)》指出當(dāng)樓板的尺寸和平面剛度急劇變化時(shí)，可以判定為樓板局部不連續(xù)。樓板局部不連續(xù)一般是由上游建筑專業(yè)的樓板布置決定的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需判斷是否屬于樓板局部不連續(xù)不規(guī)則項(xiàng)，并采取措施減小樓板局部不連續(xù)造成的危害。值得注意的是要理解錯(cuò)層和開洞的區(qū)別。規(guī)范指出對于較大的錯(cuò)層需按樓板開洞對待；當(dāng)錯(cuò)層面積大于該層總面積的30%時(shí)，則屬于樓板局部不連續(xù)。對“較大的錯(cuò)層”規(guī)范沒有明確給出相關(guān)的定義。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，我們一般將樓層高度差不小于600mm，且大于“樓層梁截面高度”時(shí)，確定為“較大的錯(cuò)層”。此處“樓層梁截面高度”為樓層梁的代表性截面高度，一般為標(biāo)準(zhǔn)跨框架梁的截面高度，非錯(cuò)層處梁截面高度。

2.4 側(cè)向剛度不規(guī)則

我們可以根據(jù)《高規(guī)》3.5.2條計(jì)算側(cè)向剛度的變化情況，并判斷是否屬于側(cè)向剛度不規(guī)則項(xiàng)。建筑的立面一般以矩形、梯形、三角形等均勻變化的幾何形狀為宜，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中會(huì)碰到許多大底盤建筑，此類建筑低層裙房和高層主樓相連，體型突變引起剛度突變，還有一些建筑中間部分樓層收進(jìn)，極易造成建筑的側(cè)向剛度不規(guī)則。

2.5 豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)

豎向構(gòu)件未全部落地，存在通過轉(zhuǎn)換層往下傳力的建筑，可以判定為豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。一般是由于建筑底部幾層需要大的室內(nèi)空間而取消一部分抗震墻或框架柱造成[2]。

2.6 樓層受剪承載力突變

抗側(cè)力構(gòu)件的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%時(shí)，可以判定為層間受剪承載力突變不規(guī)則。樓層的層間受剪承載力是指在考慮地震水平力的方向上該層所有的柱、剪力墻、支撐所能提供的受剪承載力之和。樓層層高變高，或者取消了部分框架柱、剪力墻等均會(huì)導(dǎo)致該層的受剪承載力變?nèi)?，造成樓層受剪承載力突變不規(guī)則。

3 建筑不規(guī)則解決對策及加強(qiáng)措施

3.1 總體設(shè)計(jì)原則

在建筑方案階段，建筑外形輪廓宜最大限度地使用簡單、對稱、規(guī)則的幾何形狀，比如圓形、方形、正多邊形、矩形等等。建筑形體是影響房屋規(guī)則性的根本因素，在建筑形體不規(guī)則面前，結(jié)構(gòu)措施也只是補(bǔ)救措施。合理的建筑布置是抗震設(shè)計(jì)中的頭等大事。震害調(diào)查表明，簡單、對稱的建筑在地震時(shí)較不易產(chǎn)生破壞，道理也比較簡單，簡單、對稱的結(jié)構(gòu)容易預(yù)估其地震作用時(shí)的反應(yīng)，容易有針對性的采取抗震加強(qiáng)措施。

盡量使結(jié)構(gòu)的承載力和豎向剛度自下而上逐漸減少，變化均勻、連續(xù)，不出現(xiàn)突變。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，往往沿豎向分段改變構(gòu)件的截面和材料強(qiáng)度，這種改變使剛度發(fā)生變化，也應(yīng)自下而上遞減。豎向構(gòu)件尺寸和強(qiáng)度的改變最好避開錯(cuò)層，同時(shí)避免同層改變。在結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件布置時(shí)，不應(yīng)采用上部剛度大，底層僅有柱的“雞腳”建筑。這樣的結(jié)構(gòu)上部側(cè)移剛度大，下部樓層側(cè)移剛度小，結(jié)構(gòu)軟弱層出現(xiàn)在底層，地震中很容易遭到嚴(yán)重的破壞，而且從設(shè)計(jì)上很難采取相應(yīng)的措施防止震害的發(fā)生。建筑體型復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系沿豎向強(qiáng)度和剛度分布不均勻，在地震作用下某一層間或某一部位率先出現(xiàn)較大的彈塑性變形。例如，立面突然收進(jìn)的建筑或局部突出的建筑，會(huì)在凹角出產(chǎn)生應(yīng)力集中。

避免樓層既是薄弱層也是軟弱層。我們一般將不符合側(cè)向剛度比的樓層稱為軟弱層，不符合層間受剪承載力之比的樓層稱為薄弱層。結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度變化較大時(shí)往往伴隨著應(yīng)力和應(yīng)變的突變，可能同時(shí)出現(xiàn)薄弱層和軟弱層，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)。高層設(shè)計(jì)過程中，有的局部樓層往往層高較大，導(dǎo)致剛度變小，可以加厚該層的剪力墻厚度、加大柱截面提高側(cè)向剛度。

遇到由同一平面問題引起的多項(xiàng)不規(guī)則問題時(shí)，應(yīng)對不規(guī)則項(xiàng)加以區(qū)分，合并由于同一原因引起的不規(guī)則項(xiàng)，并按最不利一項(xiàng)的不規(guī)則計(jì)算作為一項(xiàng)不規(guī)則，應(yīng)同時(shí)針對不同的不規(guī)則項(xiàng)采取結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。如：樓板大開洞引起的穿層柱問題，有樓板大開洞的不規(guī)則和穿層柱不規(guī)則兩項(xiàng)，此時(shí)可只計(jì)算樓板大開洞不規(guī)則項(xiàng)，但需對樓板大開洞和穿層柱都采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。錯(cuò)層在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中屬于嚴(yán)重的不規(guī)則情況，若結(jié)構(gòu)已經(jīng)考慮了錯(cuò)層的不規(guī)則，則不需要考慮有錯(cuò)層引起的樓板不連續(xù)。

3.2 平面不規(guī)則解決方案及加強(qiáng)措施

3.2.1 設(shè)置防震縫?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)建筑平面形狀復(fù)雜而又無法調(diào)整其平面形狀和結(jié)構(gòu)布置使之成為較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)時(shí)，宜設(shè)置防震縫將其劃分為幾個(gè)較為簡單、規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。如圖2所示，通過防震縫將凹凸不規(guī)則的L形、凹形建筑劃分為兩個(gè)、三個(gè)相對簡單的單元。但設(shè)置防震縫也會(huì)帶來新的問題，如由于縫的兩側(cè)均需設(shè)置墻體或框架柱而使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別會(huì)使基礎(chǔ)處理比較困難，而且地震時(shí)縫的兩側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，位移急劇增大而產(chǎn)生碰撞，產(chǎn)生嚴(yán)重的震害。輕者外立面裝飾、女兒墻破壞，重者結(jié)構(gòu)主體破壞。一般情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮不設(shè)防震縫，能少設(shè)縫就少設(shè)縫。

圖2 防震縫的設(shè)置

在遇到下列情況時(shí)，還是應(yīng)設(shè)置防震縫，將建筑分為幾個(gè)規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。

3.2.1.1 平面形狀屬于不規(guī)則類型，或豎向?qū)儆诓灰?guī)則類型

3.2.1.2 房屋長度超過相關(guān)規(guī)范規(guī)定的伸縮縫最大間距，又沒有條件采取特別措施而必須設(shè)置伸縮縫時(shí)。

3.2.1.3 房屋各部分的結(jié)構(gòu)體系截然不同，質(zhì)量或側(cè)移剛度大小懸殊時(shí)。

3.2.1.4 地基土質(zhì)不均勻或上部荷載相差較大，房屋各部分的預(yù)計(jì)沉降過大，必須設(shè)置沉降縫時(shí)。

防震縫在地面以上沿全高設(shè)置，縫中不能有填充物。當(dāng)不作為沉降縫時(shí)，基礎(chǔ)可以不設(shè)防震縫。建筑中凡是設(shè)置防震縫的就要分的徹底；凡是不設(shè)縫的，就要連接牢固，保證其整體性。絕對不要將各部分設(shè)計(jì)的似分不分，似連不連，否則連接處在地震中很容易破壞。

3.2.2 調(diào)整剛度中心，盡量與質(zhì)量中心重合。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)位移比過大的大部分原因是結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則，剛度中心與質(zhì)量中心偏差過大。解決對策一般為加大質(zhì)量中心一側(cè)樓層邊端部位的抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，如增大剪力墻墻肢截面的長度或厚度；框架柱截面增大或加高框架梁截面?？蚣埽袅Y(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)，可把在樓層邊端部位的剪力墻縱、橫向連成一體，形成L形、T形和口字型，使其有較好的抗扭剛度。

在結(jié)構(gòu)布置中，應(yīng)特別注意具有很大側(cè)向剛度的剪力墻或鋼筋混凝土核心筒的位置，力求在平面上對稱，不宜偏置于建筑的一邊，也不宜將鋼筋混凝土筒體放置在建筑主體之外。例如樓梯間，盡量在平面圖上對稱或居中布置[3]。

3.2.3 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。角部重疊或細(xì)腰形的建筑，在中央部位形成狹窄部位，在地震中容易產(chǎn)生震害，尤其是在凹角位置，因?yàn)閼?yīng)力集中容易使樓板開裂、破壞。在這些部位應(yīng)采取加大樓板厚度、增加板內(nèi)配筋、設(shè)置集中配筋的邊梁等方法加強(qiáng)。

樓板在開洞削弱之后，宜加厚開洞附近的樓板厚度，并且雙層雙向配筋，洞口邊緣可以設(shè)置邊梁或暗梁，在樓板洞口角部可以設(shè)置斜向鋼筋。

3.3 豎向不規(guī)則解決方案及加強(qiáng)措施

造成豎向不規(guī)則的根本原因是建筑方案，比如大底盤建筑、樓層收進(jìn)、底層抽柱抽剪力墻等，一般的解決方案是加強(qiáng)軟弱層抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，使該層的側(cè)向剛度滿足規(guī)范要求，不致產(chǎn)生豎向不規(guī)則。

底層或底部若干層取消一部分框架柱或剪力墻造成的剛度突變，一般應(yīng)加大落地剪力墻的厚度或落地框架柱的尺寸，并提高這些樓層的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，剪力墻和框架柱應(yīng)加強(qiáng)配筋；部分收進(jìn)的樓層，加強(qiáng)方式類似，加大這些樓層的框架柱、框架梁、剪力墻截面并加大配筋。除了加強(qiáng)豎向構(gòu)件外，還應(yīng)加大樓板的水平剛度，以保證各抗側(cè)力構(gòu)件之間能夠可靠傳遞水平力。

4 結(jié)束語

綜上所述，為了減小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不規(guī)則性危害，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)判斷是否有必要設(shè)置防震縫，然后再總體布局，合理布置結(jié)構(gòu)件，加強(qiáng)軟弱、薄弱部位，盡量使結(jié)構(gòu)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，使結(jié)構(gòu)不存在不規(guī)則項(xiàng)。當(dāng)存在不規(guī)則項(xiàng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員再做補(bǔ)救加強(qiáng)措施，優(yōu)化受力傳力，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能最好的滿足業(yè)主需求。