不规则结构设计及规范要求

建筑方案是否“规则”的判定及设计控制1、不规则的划分抗震规范把不规则的建筑方案分为三个级别，区别对待：一般不规则——按规范、规程的有关规定采取加强措施；特别不规则——经过专门研究和论证后采取高于规范、规程规定的加强措施，对于高层建筑应严格按建设部令第111号进行抗震设防专项检查；严重不规则——应要求建筑师予以修改、调整。抗震规范原文如下：3.4.1建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的建筑方案。[修订说明]：本次修订，对建筑方案的各种不规则性，分别给出处理对策，以提高建筑设计和结构设计的协调性。2、不规则的判定（1）抗震规范正文——比较含糊3.4.2建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。当存在表3.4.2-1所列举的平面不规则类型或表3.4.2-2所列举的竖向不规则类型时，应符合本章第3.4.3条的有关规定。表3.4.2-1平面不规则类型不规则类型定义扭转不规则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倍凸凹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％楼板局部不连续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。表3.4.2-2竖向不规则类型不规则类型定义侧向刚度不规则该层的侧向刚度小于相邻上一层的70％，或小于其相邻三个楼层侧向刚度平均值的80％；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25％竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑等）的内力由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递楼层承载力突变抗侧力结构的层面受剪承载力小于相邻上一楼层的80％（2）抗震规范条文说明——稍微清晰，仍笼统3.4.1条之条文说明：规则与不规则的区分，本规范在第3.4.2条规定了一些定量的界限，但实际上引起建筑结构不规则的因素还有很多，特别是复杂的建筑体型，很难一一用若干简化的定量指标来划分不规则程度并规定限制范围，但是，有经验的、有抗震知识素养的建筑设计人员，应该对所设计的建筑的抗震性能有所估计，要区分不规则、特别不规则和严重不规则等不规则程度，避免采用抗震性能差的严重不规则的设计方案。这里：“不规则”指的是超过表3.4.2-1和表3.4.2-2中一项及以上的不规则指标；特别不规则，指的是多项均超过表3.4.2-1和表3.4.2-2中不规则指标或某一项超过规定指标较多，具有较明显的抗震薄弱部位，将会引起不良后果者；严重不规则，指的是体型复杂，多项不规则指标超过第3.4.3条上限值或某一项大大超过规定值，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果者。3.4.2条之条文说明：采用图形进行典型示例，以便理解表3.4.2中所列的不规则类型。参见规范。（3）抗震设计规范管理组的统一培训教材（P93～95）——清晰对于混凝土结构和钢结构，规则与不规则性的一些主要定量界限，见抗震规范3.4.2条和相关规程，大致如下表：表6.2不规则建筑方案的基本类型序号不规则类型简要涵义备注1A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1.2GB50011,3.4.2条B偏心布置偏心距大于0.15或相邻层质心相差较大JGJ99，3.2.2条2A凸凹不规则平面凸凹尺寸大于相应边长30％等，含穿层柱GB50011,3.4.2条B组合平面细腰形或角部重叠形JGJ3，4.3.3条3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2a判别），错层大于梁高GB50011,3.4.2条4A刚度突变相邻层刚度变化大于70％或连续三层变化大于80％GB50011,3.4.2条B尺寸突变缩进大于25％，外挑大于10％和4m，含多塔、连体JGJ3，4.4.5条5构件间断上下墙、柱、支撑不连续，含加强层GB50011,3.4.2条6承载力突变相邻层受剪承载力变化大于80％GB50011,3.4.2条只要建筑结构（包括某个楼层）布置上出现表中的一项，即存在不规则，或叫基本不规则。对于一般的不规则，其基本抗震加强措施见抗震规范第3.4.3条的规定。对于具有转换层、加强层、错层和多塔、连体的高层混凝土结构，至少具有表3.4.1-1中的一项，在JGJ3第10章也给出了加强措施的规定。对于不规则建筑方案的结构设计，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。对于不落地构件通过次梁转换的问题，应慎重对待。少量的次梁转换，设计时对不落地构件（混凝土墙、砖抗震墙、柱、支撑等）的地震作用如何通过次梁传递到主梁、又传统到落地竖向构件要有明确的计算，方可视为有明确的计算简图和合理的传递途径，并需采取相应的加强措施，确保大震时转换构件不失效。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。结构薄弱层和薄弱部位的判别、验算及加强措施，应针对具体情况正确处理，使其确实有效。有关“特别不规则”的判定，先请看下表6.3：表6.3特别不规则的项目举例序号不规则类型简要涵义1扭转偏大不与裙房相连的较多楼层考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.42抗扭刚度弱扭转周期比大于0.9，混合结构扭转周期比大于0.853层刚度偏小本层侧向刚度小于相邻上层的50％4高位转换框支转换构件位置：7度超过5层，8度超过3层5厚板转换7～9度设防的厚板转换结构6塔楼偏置单塔或多塔，质心与大底盘质心偏心距大于底盘相应周长的20％7复杂连接各部分层数、刚度、布置不同的错层或连体结构8多重复杂同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔类型中的2种以上培训教材明确指出，所谓“特别不规则”，主要有三类：其一，同时具有表6.2所列六个方面基本不规则的3个或3个以上；其二，具有表6.3所列的一项不规则；其三，具有表6.2所列2个方面的基本不规则，且其中有一项接近表6.3的不规则指标。局部修订明确要求，特别不规则的建筑方案应进行专门的研究和论证。建设部第111号令要求，对特别不规则的高层建筑，应在初步设计阶段提出“超限设计”的可行性论证，由建设单位向工程所在地的省级建设行政主管部门提出申请，经专家委员会审查通过并完成行政许可手续后，方可进行施工图设计和施工图设计文件的审查。对于特别不规则的建筑方案，只要不属于严重不规则，结构设计人员应采取比抗震规范第3.4.3条要求更加有效的措施。严重不规则，指体型复杂，多项实质性的突变指标或界限超过规定或某一项大大超过规定，具有严重的抗震薄弱环节，可能导致地震破坏的严重后果者，意味着该建筑方案在现有经济技术条件下，存在明显的地震安全隐患。（4）《PKPM结构软件从入门到精通》的意见P200～201不规则类型简要涵义规则结构1、平面和立面体形规则，结构平面布置均匀、对称并具有较好的抗扭刚度；结构竖向布置均匀，结构的刚度、承载力和质量分布均匀、无突变；2、位移比＜1.2；3、周期比、刚度比、承载力比等参数均满足规范“不宜”的要求；4、不具备四类不规则的特征。（四类不规则指：平面不规则、竖向不规则、复杂高层、超规范结构）一般不规则1、结构设计方案中，仅有个别项目超过规范条款“不宜”的规定；2、位移比：1.2＜A级高层＜1.35，1.2＜B级高层＜1.3；3、周期比：A级高层＜0.9，B级高层＜0.85；4、承载力比＞0.8；5、具有某一种复杂高层结构类型（如带转换层、带加强层、错层、连体、多塔等）。特别不规则1、结构设计方案中，有多项超过规范条款“不宜”的规定；或某一项超过规定指标较多，具有明显的抗震薄弱部位，将会引起不良后果；2、位移比：1.35＜A级高层＜1.5，1.3＜B级高层＜1.4；3、周期比：A级高层＜0.9，B级高层＜0.85；4、承载力比：A级高层＞0.65，B级高层＞0.75；5、同时具有两种复杂高层结构类型（如带转换层、带加强层、错层、连体、多塔等）；6、具有高位转换、复杂错层或连体、偏置多塔、厚板转换等特别复杂结构。严重不规则1、结构体形复杂，平面或立面极不规则，结构方案中有多项超过规范条款“不宜”的规定，而且超过较多，或者有一项超过“不应”的规定，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果；2、位移比、周期比、刚度比、承载力比等多项参数不满足规范要求或无法计算；3、同时具有三种以上的复杂高层建筑结构类型（如带转换层、带加强层、错层、连体、多塔等）；4、属于超规范结构（超高、超限、新型）。3、不规则的控制参数——共4个序号控制参数主要控制内容规范规定备注1位移比（层间位移比）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级高层不应大于1.5，B级高层不应大于1.42周期比控制结构扭转效应的重要指标。A级高层不应大于0.9，B级高层不应大于0.85。3刚度比控制结构竖向不规则的重要指标结构楼层的侧向刚度不应小于相邻上一层的70％，或小于其上三层刚度平均值的80％判断薄弱层4层间受剪承载力比控制结构竖向不规则的重要指标结构的楼层抗侧力结构受剪承载力与其上一层的比值不宜小于0.8；对不规则结构：A级高层不应小于0.65，B级高层不应小于0.75。受剪承载力比小于0.8，则判断出薄弱层上述4个不规则控制参数体现在设计中，表现为设计步骤的第二步。设计步骤第一步是通过试算确定几个整体参数，如振型个数、最大地震力方向和结构基本周期等；第二步是确定整体结构的合理性，是在第一步的基础上进行计算。设计第二步的重要性，即整体结构的科学性和合理性是否重要，首先体现在规范特别强调，其次是因为一个工程的整体指标如果不满足要求，后续的配筋计算将没有任何意义。对此类问题，施工图审查时有如下相关内容：（1）首先要审查的即是结构超限问题。高层建筑应根据建设部建质[2003]46号文规定，审查是否属于超限建筑工程，尤其文中的特别不规则超限经常被忽视，计算结果某些参数超限虽然不违反强条，但属于超限工程，超限建筑工程应进行抗震专项审查。（2）竖向不规则：施工图审查中常见框架结构底层层高很大，二层层高较小的情况，且底层作为车库或者架空花园使用，隔墙很少或者无任何隔墙，侧向刚度突变（高层建筑中还常见设备层层高较小，相邻下一层层高较大的情况），对抗震极为不利，应采取加强措施处理，计算时应强制按薄弱层处理。底层层高很大且设有夹层，二层层高较小，软件计算未反映出该位置的侧向刚度变化，应进行必要的补充计算（宜按不带夹层的模型复核），并按竖向不规则处理（地震剪力系数放大1.15倍并加强抗震构造措施）。对于底层无隔墙，上部楼层有较多隔墙的框架结构设计方案，如何考虑隔墙刚度的影响进行计算是个难点，现有计算软件未解决这个问题，要算清楚很麻烦，所以建议底层尽量予以加强。对于底层侧向刚度远小于相邻上一层的框架结构，必要时可在底层加设剪力墙或者斜向支撑予以加强。等等。4、不规则建筑所应进行的结构计算方法（1）《抗震规范》第5.1.2条的规定各类建筑结构的抗震计算，应采用下列方法：1高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。2除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。3特别不规则的建筑、甲类建筑和表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的