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摘要:本文通过对不规则高层建筑结构设计中应采取的措施研究，希望能引起相关设计部门注意，尽可能提高高层建筑的抗震安全性能。结构设计中占有非常重要的地位。
关键词:现代建筑；不规则设计；建筑结构
Abstract:. This article through to the irregular designing high-rise measures that should be adopted in the research, the hope can cause related design department attention, as far as possible improves the seismic safety performance is high buildings. The structural design of occupied a very important position.
Key Words: modern architecture; Irregular design; Building structure
中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：
1 引 言
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。
2 特 征
2.1 第一类: 平面不规则结构
（1）扭转不规则：位移比大于 1.2。
（2）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）。
（3）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。
2.2 第二类:竖向不规则结构
（1）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。
（2）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。
（3）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。
2.3 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。
2.4 第四类: 超规范结构
（1）超高结构，超过了规范规定的最大高度。
（2）超限结构，超过了规范规定的其它限值。
（3）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。
3 控制参数
为了对建筑结构的不规则性进行评测、分析、控制，规范提出了一些重要的控制参数。下面以设计单位广泛应用的通用有限元分析软件 SATWE 为例，介绍这些参数的含义、限值及调整要求。
3.1 位移比( 层间位移比)
是指按刚性楼板假定计算楼层的最大水平位移（或层间位移）与该楼层两端平均水平位移（或层间位移）的比值。位移比是控制结构平面不规则性的重要指标。规则结构的位移比不宜大于 1.2；不规则结构的位移比 A 级高层建筑不应大于 1.5，B 级高层建筑不应大于 1.4。SATWE 软件可以分别输出考虑单向地震、双向地震、偶然偏心影响的位移比，供设计人员选用。位移比的计算及调整应结合工程实际进行，例如，当楼层最大层间位移角的绝对值很小时，考虑偏心影响的位移比限值可以适当放松。
3.2 周期比
是结构扭转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的第一自振周期 Tl 之比。周期比是控制结构扭转效应的重要指标。控制周期比的目的是控制结构扭转变形要小于结构平动变形，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。结构的周期比 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。SATWE 软件不能自动计算输出周期比，需要设计人员根据计算结果及各振型特征自行判断计算。周期比不满足要求，主要通过改进结构设计方案，加强周边主体结构，弱化内部主体结构，提高结构抗扭刚度来解决。
3.3 侧向刚度比
是相邻楼层间侧向刚度的比值，它是控制结构竖向不规则的重要指标。结构某楼层的侧向刚度不应小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的 80%。刚度比不满足要求，说明该竖向不规则结构出现薄弱层，该层地震剪力应乘以 1.15 的增大系数。SATWE 软件可以自动计算各楼层的刚度比，并对刚度比不满足要求的薄弱层放大地震剪力。
4 不规则程度的分类
4.1 规则的建筑结构应满足两个条件
（1）位移比、周期比、剛度比、承载力比等参数均满足规范“不宜”的要求；
（2）不具备以上 4 类不规则结构的特征。
4.2 三类不规则结构：（1）一般不规则结构；（2）特别不规则结构；（3）严重不规则结构
5 设计计算
结构的不规则性是由多方面原因造成的，几何形状的剧烈变化、荷载传递路径的中断、承载力和刚度变化的非连续性、由楼板或剪力墙开洞导致的控制部位的分解、超常规的构件截面尺寸、凹角、缺少足够的赘余度以及非结构构件布置不当引起结构变形形态的改变等。结构的不规则将使结构的地震反映复杂化，因此应特别强调采用抗震概念设计，根据地震灾害和工程经验形成的基本设计原则和基本设计思想，进行建筑结构的总体布置，根据结构的不规则程度，采用不同的计算分析方法，并对可能出现的薄弱部位采取有效的抗震措施。
5.1 优化设计方案
在条件允许和可能的情况下，尽量采用受力合理，规则对称的设计方案，避免采用严重不规则的设计方案，这是对结构不规则性控制的最有效手段。在结构计算不满足规范要求，特别是误差很大时，不应当只是简单地调整计算参数或放大地震剪力，而应当首先考虑修改设计方案，这样才能从根本上解决不规则结构的抗震问题。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
5.2 选择合理的计算分析方法
“三水准抗震设防，两阶段抗震设计”是我国现阶段的基本抗震设计思想。在结构设计方案初步确定以后，应针对结构的不规则程度，合理选择抗震计算方法。
5.2.1 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。
5.2.2 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構造措施。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。
总之，通过对小震、中震作用下承载力和位移效应的双控，提高结构刚度和总体承载力，再通过有效的抗震构造措施，可以保证结构及最重要的抗侧力构件在中震作用下基本处于弹性工作状态，进入弹塑性大震阶段可能仅有少数选定的薄弱部位构件达到屈服，整体结构仍具备一定的刚度和承载力，达到结构仅有少量破坏和较易修复的抗震设防目标。这可以通过在 SATWE软件中，输入中震设计最大地震影响系数值 αmax和场地特征周期值 Tg，并选取“按中震（或大震）不屈服做结构设计”的选项等办法来实现。
5.3 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。
6结 语
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。
参考文献
[1]GB50011- 2001 建筑抗震设计规范[S].
[2]JGJ3- 2002 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
关键词:现代建筑；不规则设计；建筑结构
Abstract:. This article through to the irregular designing high-rise measures that should be adopted in the research, the hope can cause related design department attention, as far as possible improves the seismic safety performance is high buildings. The structural design of occupied a very important position.
Key Words: modern architecture; Irregular design; Building structure
中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：
1 引 言
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。
2 特 征
2.1 第一类: 平面不规则结构
（1）扭转不规则：位移比大于 1.2。
（2）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）。
（3）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。
2.2 第二类:竖向不规则结构
（1）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。
（2）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。
（3）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。
2.3 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。
2.4 第四类: 超规范结构
（1）超高结构，超过了规范规定的最大高度。
（2）超限结构，超过了规范规定的其它限值。
（3）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。
3 控制参数
为了对建筑结构的不规则性进行评测、分析、控制，规范提出了一些重要的控制参数。下面以设计单位广泛应用的通用有限元分析软件 SATWE 为例，介绍这些参数的含义、限值及调整要求。
3.1 位移比( 层间位移比)
是指按刚性楼板假定计算楼层的最大水平位移（或层间位移）与该楼层两端平均水平位移（或层间位移）的比值。位移比是控制结构平面不规则性的重要指标。规则结构的位移比不宜大于 1.2；不规则结构的位移比 A 级高层建筑不应大于 1.5，B 级高层建筑不应大于 1.4。SATWE 软件可以分别输出考虑单向地震、双向地震、偶然偏心影响的位移比，供设计人员选用。位移比的计算及调整应结合工程实际进行，例如，当楼层最大层间位移角的绝对值很小时，考虑偏心影响的位移比限值可以适当放松。
3.2 周期比
是结构扭转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的第一自振周期 Tl 之比。周期比是控制结构扭转效应的重要指标。控制周期比的目的是控制结构扭转变形要小于结构平动变形，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。结构的周期比 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。SATWE 软件不能自动计算输出周期比，需要设计人员根据计算结果及各振型特征自行判断计算。周期比不满足要求，主要通过改进结构设计方案，加强周边主体结构，弱化内部主体结构，提高结构抗扭刚度来解决。
3.3 侧向刚度比
是相邻楼层间侧向刚度的比值，它是控制结构竖向不规则的重要指标。结构某楼层的侧向刚度不应小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的 80%。刚度比不满足要求，说明该竖向不规则结构出现薄弱层，该层地震剪力应乘以 1.15 的增大系数。SATWE 软件可以自动计算各楼层的刚度比，并对刚度比不满足要求的薄弱层放大地震剪力。
4 不规则程度的分类
4.1 规则的建筑结构应满足两个条件
（1）位移比、周期比、剛度比、承载力比等参数均满足规范“不宜”的要求；
（2）不具备以上 4 类不规则结构的特征。
4.2 三类不规则结构：（1）一般不规则结构；（2）特别不规则结构；（3）严重不规则结构
5 设计计算
结构的不规则性是由多方面原因造成的，几何形状的剧烈变化、荷载传递路径的中断、承载力和刚度变化的非连续性、由楼板或剪力墙开洞导致的控制部位的分解、超常规的构件截面尺寸、凹角、缺少足够的赘余度以及非结构构件布置不当引起结构变形形态的改变等。结构的不规则将使结构的地震反映复杂化，因此应特别强调采用抗震概念设计，根据地震灾害和工程经验形成的基本设计原则和基本设计思想，进行建筑结构的总体布置，根据结构的不规则程度，采用不同的计算分析方法，并对可能出现的薄弱部位采取有效的抗震措施。
5.1 优化设计方案
在条件允许和可能的情况下，尽量采用受力合理，规则对称的设计方案，避免采用严重不规则的设计方案，这是对结构不规则性控制的最有效手段。在结构计算不满足规范要求，特别是误差很大时，不应当只是简单地调整计算参数或放大地震剪力，而应当首先考虑修改设计方案，这样才能从根本上解决不规则结构的抗震问题。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
5.2 选择合理的计算分析方法
“三水准抗震设防，两阶段抗震设计”是我国现阶段的基本抗震设计思想。在结构设计方案初步确定以后，应针对结构的不规则程度，合理选择抗震计算方法。
5.2.1 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。
5.2.2 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構造措施。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。
总之，通过对小震、中震作用下承载力和位移效应的双控，提高结构刚度和总体承载力，再通过有效的抗震构造措施，可以保证结构及最重要的抗侧力构件在中震作用下基本处于弹性工作状态，进入弹塑性大震阶段可能仅有少数选定的薄弱部位构件达到屈服，整体结构仍具备一定的刚度和承载力，达到结构仅有少量破坏和较易修复的抗震设防目标。这可以通过在 SATWE软件中，输入中震设计最大地震影响系数值 αmax和场地特征周期值 Tg，并选取“按中震（或大震）不屈服做结构设计”的选项等办法来实现。
5.3 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。
6结 语
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。
参考文献
[1]GB50011- 2001 建筑抗震设计规范[S].
[2]JGJ3- 2002 高层建筑混凝土结构技术规程[S].