摘要：隨著高層建筑的增多，結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計已越來越重要。本文筆者以我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等為基礎(chǔ)，對不規(guī)則的高層建筑的概念、定義進(jìn)行闡述，在不規(guī)則高層建筑設(shè)計中，應(yīng)如何運(yùn)用規(guī)范措施，此文可供參考。
　　關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；不規(guī)則；規(guī)范措施；
　　結(jié)構(gòu)的對稱性內(nèi)含于建筑之中，它主要指建筑中抗側(cè)力的主體結(jié)構(gòu)的對稱。對稱的建筑如平面對稱的框架結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體框架結(jié)構(gòu)等，一般比較容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的對稱性。不對稱的建筑如平面形狀復(fù)雜的L型、T型、ㄅ型等建筑，樓梯間、電梯間偏于平面的一側(cè)或一角的建筑等，內(nèi)含結(jié)構(gòu)的基本對稱仍是可以實(shí)現(xiàn)的。這主要取決于結(jié)構(gòu)工程師結(jié)合建筑平面的功能和需要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置，如筒體、剪力墻的合理布置，可以設(shè)法調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛心與建筑物的質(zhì)心平面的形心盡量接近，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的基本對稱。結(jié)構(gòu)的較大不對稱、不規(guī)則，將引起結(jié)構(gòu)在水平側(cè)力(風(fēng)荷載、地震荷載)作用下產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，不利于荷載結(jié)構(gòu)抗側(cè)力，不利于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如填充墻、幕墻的正常工作，同時要招致結(jié)構(gòu)耗材、成本的較大增加。所以建筑物的主體對稱性十分重要，要注意在盡可能條件下盡量予以滿足，這點(diǎn)在建筑平面布置中尤需特別加以注意。
　　國內(nèi)、國外歷次大地震震害表明，平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心和抗扭轉(zhuǎn)剛度太弱的建筑結(jié)構(gòu)，在地震中受到嚴(yán)重的破壞。國內(nèi)一些振動臺模型試驗結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。對建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)需從以下兩個方面加以限制：
　　1）限制建筑結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
　　2）限制建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度不能太弱。關(guān)鍵是限制扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tc與平動為主的第一自振周期T1之比。當(dāng)兩者接近時。由于振動耦連的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。
　　目前在工程設(shè)計中應(yīng)用的多數(shù)計算分析方法和計算方法，都假定樓板在平面內(nèi)不變形，平面內(nèi)剛度無限大，這對于大多數(shù)工程來說是可以接受的。但是當(dāng)樓板有大的凹入，大的開洞時，樓板在平面內(nèi)消弱過大、樓板產(chǎn)生顯著的變形，這時剛性樓板的假定不再適用，要采用考慮樓板變形影響的計算方法和相應(yīng)的計算程序。考慮樓板的實(shí)際剛度可以采用將樓板等效為受彎水平梁的簡化方法，也可以將樓板劃分為單元后采用有限元法進(jìn)行計算。中國建筑科學(xué)研究院PKPM工程部研制的SATWE軟件(2003年12月版)可以考慮柔性樓板的假定。當(dāng)樓板平面過于狹長、有較大的凹入和開洞而使樓板有過大消弱時，應(yīng)在設(shè)計中考慮樓板變形產(chǎn)生的不利影響。樓板凹入和開洞尺寸不宜大于樓面寬度的一半，樓板開洞總面積不宜超過樓面面積30%；在扣除凹入和開洞后，樓板在任一方向的最小靜寬度不宜小于5m，且開洞后每一邊的樓板靜寬度不應(yīng)小于2m。（圖1）
　　其中，a1≥2m，a2≥2m，a1+a2≥5m。（注：樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)承載力是指在所考慮的水平地震作用方向上，該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和。）
　　
　　圖1建筑結(jié)構(gòu)平面

　　圖2抗震墻示意圖
　　角部重迭和細(xì)腰的平面圖形，在中央部位形成狹窄部分，在地震中容易產(chǎn)生震害，尤其在凹角部位，因為應(yīng)力集中易使樓板開裂、破壞。這些部位應(yīng)采用加大樓板厚度，增加樓板配筋，設(shè)置集中配筋的邊梁，配筋45度斜向鋼筋等加強(qiáng)措施。
　　高層住宅建筑常采用サ字形、井字形平面，以利于通風(fēng)采光，而將樓梯間、電梯間集中布置于中央部位。當(dāng)中央部位樓電梯間使樓板過分消弱時，此時應(yīng)將樓電梯間周邊的剩余樓板加厚，并加強(qiáng)配筋。外伸部分形成的凹槽宜設(shè)置連接梁或連接板，連接梁宜寬扁放置并增多配筋，連接梁和連接板最好每層設(shè)置。
　　抗震設(shè)計時，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)布置使之成為較規(guī)則的結(jié)構(gòu)時，宜設(shè)置防震縫將其劃分為較簡單的幾個結(jié)構(gòu)單元。這一點(diǎn)在結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計時有非常重要的指導(dǎo)意義。
　　抗震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)體系不同時，抗震縫寬度按不利的體系考慮，并按較低一側(cè)的高度計算確定縫寬。抗震縫應(yīng)沿房屋全高設(shè)置，基礎(chǔ)及地下室可不設(shè)置抗震縫，但抗震縫處應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造和連接，當(dāng)相鄰結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)存在較大沉降時，宜加大抗震縫的寬度。8、9度框架房屋抗震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)高度、剛度或?qū)痈呦嗖钶^大時，可在縫兩側(cè)房屋的盡端沿全高設(shè)置垂直于抗震縫的抗震墻，每一側(cè)抗震墻的數(shù)量不應(yīng)少于兩道，宜分別對稱布置，墻肢的長度可不大于一個柱距，框架和抗震墻的內(nèi)力應(yīng)按考慮和不考慮抗震墻兩種情況分別進(jìn)行分析，并按不利情況取值。抗震墻在抗震墻一端的邊柱箍筋應(yīng)沿房屋全高加密。
　　歷次震害表明；結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變、外形外挑內(nèi)收等，都會產(chǎn)生變形在某些樓層的過分集中，出現(xiàn)嚴(yán)重震害甚至倒塌。所以設(shè)計中應(yīng)力要求自下而上剛度逐漸、均勻減少、提型均勻不突變。1995年日本阪神地震中，大阪和神戶市不少建筑物產(chǎn)生中部樓層嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象，其中一個原因就是結(jié)構(gòu)剛度在中部樓層產(chǎn)生突變。有些是柱截面尺寸和混凝土強(qiáng)度在中部樓層突然減小，有些是由于使用要求而剪力墻在中部突然取消，這些都引發(fā)樓層剛度的突變而產(chǎn)生嚴(yán)重震害。
　　由此可見，結(jié)構(gòu)的不規(guī)則擁有非常廣泛的內(nèi)容，像斜向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)、不對稱結(jié)構(gòu)等均屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)。而《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中所規(guī)定的只是主要的幾種類型。這里需特別指出的是質(zhì)量不規(guī)則類型。關(guān)于質(zhì)量不規(guī)則的類型在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的條文說明中也有相關(guān)的闡述，希望能夠引起廣大設(shè)計人員的注意。
　　另外還需要指出，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第3.4.2條及第3.4.3的條文說明中規(guī)定，對于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則按剛性樓蓋計算最大層間位移與其平均值的比，這與美國的UBC和IBC規(guī)范規(guī)定的相同。當(dāng)結(jié)構(gòu)平面形式不滿足剛性樓板假定，需要定義彈性樓板假定時，位移比如何計算規(guī)范沒有說明。筆者認(rèn)為，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》提出對位移的限值主要是為了判定結(jié)構(gòu)的平面是否規(guī)則，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員采用彈性板計算時，結(jié)構(gòu)本身就已屬于平面不規(guī)則了，設(shè)計人員可直接按照規(guī)范規(guī)定的平面不規(guī)則的相關(guān)要求執(zhí)行即可。
　　了解美國規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的定義，對于我們在雙向地震作用的判斷中也提供了一定的依據(jù)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5.1.1條第3款和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.3.2條第2款規(guī)定：質(zhì)量和剛度分布明顯不均勻、不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)的影響。按照規(guī)范的要求，雙向地震作用只有在結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布明顯不均勻、不對稱的時候才考慮。但是什么情況下才算質(zhì)量和剛度分布明顯不均勻、不對稱規(guī)范中并沒有說明。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》在第4.3.5條規(guī)定，在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度的高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。結(jié)合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.5條和美國《UBC-1997規(guī)范》的相關(guān)內(nèi)容，我們可以認(rèn)為當(dāng)樓層最大位移與平均位移之比超過扭轉(zhuǎn)位移比下限比較多，當(dāng)A級高度高層建筑大于1.4，B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑或復(fù)雜高層建筑等大于1.3倍時，就屬于扭轉(zhuǎn)明顯不規(guī)則，需要考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》條文說明中的內(nèi)容，雙向水平地震作用下可以不考慮偶然偏心的影響。新版的SATWE軟件在其位移輸出文件中（WDISP．OUT）增加了雙向水平地震作用下的位移比的計算功能。
　　結(jié)束語:建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的判斷，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中占有非常重要的地位。因為對建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性的判斷，能直接影響到結(jié)構(gòu)的建模、結(jié)構(gòu)布置、薄弱樓層的判斷、位移比的控制，以及最后的施工圖設(shè)計，從而影響到整個的結(jié)構(gòu)布置是否合理、安全、經(jīng)濟(jì)等。本文通過對不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)采取的措施研究，希望能引起相關(guān)設(shè)計部門注意，盡可能提高高層建筑的抗震安全性能。
　　參考文獻(xiàn):
　　[1]建筑抗震設(shè)計規(guī)范.GB50011-2001.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.
　　[2]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù).JGJ3-2002.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.
　　[3]中國建筑科學(xué)研究院PKPM系列S－3.多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件（墻元模型）SATWE.2003.
　　[4]上海建筑抗震設(shè)計規(guī)程.DGJ08-9-2003.上海：上海市建設(shè)和管理委員會，2003.
　　[5]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.JGJ3-2002.宣貫培訓(xùn)教材.北京：中國建筑科學(xué)研究院建筑結(jié)構(gòu)研究所.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程編制組，2002.
　　[6]唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.