曹法書

(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西大同 037006)

對(duì)結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)建筑的分析和設(shè)計(jì)探討

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(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西大同 037006)

分析了結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)與側(cè)向剛度不規(guī)則的關(guān)系，介紹了結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)的幾種類型，并探討了結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)對(duì)建筑設(shè)計(jì)的影響，指出建筑工程中應(yīng)針對(duì)不同的體型收進(jìn)特征進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，以有效減小地震災(zāi)害。

結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)，側(cè)向剛度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抗震能力

近年來，隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)工作中，經(jīng)常會(huì)遇到一些建筑為了立面造型或使用功能要求，在建筑物豎向有體型收進(jìn)。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，在收進(jìn)處側(cè)向剛度突變，引起周邊構(gòu)件內(nèi)力、位移不規(guī)則變化，嚴(yán)重影響建筑整體抗震性能。這樣的結(jié)構(gòu)體型在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以足夠重視。

1 結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)與側(cè)向剛度不規(guī)則的關(guān)系

側(cè)向剛度反映了一個(gè)建筑物在水平荷載(風(fēng)荷載和水平地震力)作用下抵抗變形能力的大小。正常的建筑設(shè)計(jì)原則，應(yīng)是按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱抗規(guī))3.4.2條所述:“……其抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則對(duì)稱，側(cè)面剛度沿豎向宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免側(cè)向剛度和承載力突變”?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱高規(guī))3.1.5條:“……結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜使結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和承載力分布，避免因剛度和承載力分布突變或結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而形成薄弱部位。”

建筑側(cè)向剛度不規(guī)則的類型分為兩類:第一類表現(xiàn)是“該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%”，即所謂的剛度上大下小，也稱薄弱層;第二類是“除頂層或出屋面小建筑外，局部收進(jìn)的水平面尺寸大于相鄰下一層的25%”，即所謂的剛度上小下大，也稱豎向體型收進(jìn)。結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)是側(cè)向剛度不規(guī)則的其中一種表現(xiàn)形式，是從尺寸角度變化來衡量樓層剛度變化，如果體型收進(jìn)比值不超規(guī)范限值，剛度下大上小，均勻變化，既保證了建筑物下部的穩(wěn)定性，也保證了建筑物上部的扭轉(zhuǎn)、剪切變形，也就滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。很多保存至今的古代塔式建筑，就是體型均勻收進(jìn)的很好例證，其造型“下大上小，垂直適剛”，才能在幾百年甚至上千年的歷史中，歷經(jīng)數(shù)次地震，仍然屹立不倒。

2 結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)的類型

雖然體型收進(jìn)，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度體現(xiàn)了下大上小，但是下剛上柔也需要控制，否則在收進(jìn)樓層處會(huì)形成薄弱部位，造成位移突變，層間位移角偏大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起建筑物倒塌破壞，不利于抗震?！犊挂?guī)》3.4.3提出了建筑體型收進(jìn)的水平尺寸比例限制要求，《高規(guī)》3.5.5也列出了體型收進(jìn)時(shí)，建筑水平及豎向尺寸比值限定。為了更好地理解體型收進(jìn)與建筑水平及豎向尺寸關(guān)系，綜合起來，將其統(tǒng)一成明確的分類方式。結(jié)構(gòu)豎向體型收進(jìn)示意圖見圖1。

1)當(dāng)H1/H≤0.2時(shí)，這種建筑屬于帶裙房結(jié)構(gòu)(或單塔大底盤)。這種情況不討論B1與B的比值關(guān)系，但是要注意B1與B的位置關(guān)系，即上部塔樓結(jié)構(gòu)(B1部分)的質(zhì)心與底盤結(jié)構(gòu)(B部分)質(zhì)心的距離不宜大于底盤相應(yīng)邊長(zhǎng)的20%。

圖1 結(jié)構(gòu)豎向體型收進(jìn)示意圖

2)當(dāng)H1/H＞0.2且B1/B＜0.75時(shí)，這種建筑屬于結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)的剛度側(cè)向不規(guī)則(注意:要對(duì)建筑橫縱兩個(gè)方向上的體型收進(jìn)都考慮)。實(shí)驗(yàn)分析表明，收進(jìn)部位越高，收進(jìn)尺寸越大，剛度突變?cè)絿?yán)重，層間位移角會(huì)越大，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震越不利。所以，對(duì)于收進(jìn)的尺寸應(yīng)當(dāng)限制。

3)當(dāng)H1/H＞0.2且B1/B≥0.75時(shí)，這種建筑屬于體型收進(jìn)但側(cè)向剛度變化不明顯，位移角變化不突出，符合抗震設(shè)計(jì)原則“剛度逐漸減小”。臺(tái)階式建筑、塔式建筑就是這種形式。

4)當(dāng)H1/H＞0.2且B1/B＜0.75，但是，B1部位是建筑物頂層或出屋面的小建筑(電梯間、水箱間等)時(shí)，這種情況是不屬于側(cè)面剛度不規(guī)則的體型收進(jìn)，應(yīng)該按“鞭稍效應(yīng)”考慮其地震作用。

3 結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)對(duì)建筑的影響

通過對(duì)結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)的梳理和分析，結(jié)構(gòu)在豎向收進(jìn)處剛度變小，雖然不像其他結(jié)構(gòu)(如框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、磚混底框結(jié)構(gòu)等)底部薄弱層造成的危害嚴(yán)重，但對(duì)上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力、剪切變形影響很大。在設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)結(jié)構(gòu)收進(jìn)的不同特性采取不同的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。

1)對(duì)于大底盤單塔結(jié)構(gòu)，塔樓的底層是內(nèi)力突變的部位，應(yīng)采取構(gòu)造措施予以加強(qiáng)。首先，為加強(qiáng)底盤與塔樓的整體性，保證底盤與塔樓整體工作，對(duì)豎向體型突變部的樓板加強(qiáng)，裙房屋面板厚度不小于150 mm，雙層雙向配筋，且每層每個(gè)方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不小于0.25%。同時(shí)體型突變部位上、下層結(jié)構(gòu)的樓板也應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施(見圖2a));其次，當(dāng)結(jié)構(gòu)偏心收進(jìn)時(shí)，考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)影響，收進(jìn)處上下兩層豎向構(gòu)件也應(yīng)加強(qiáng)(見圖2b))。

2)對(duì)于上部側(cè)剛不規(guī)則的體型收進(jìn)，應(yīng)盡可能避免，或采取薄弱層加屈曲約束支撐等方法，來減小結(jié)構(gòu)剛度變化的影響，控制其上部收進(jìn)結(jié)構(gòu)的底部樓層層間位移角，不大于相鄰下部區(qū)段最大層間位移角的1.15倍?；蛘咴诮ㄖ⒚婵赡苷{(diào)整的情況下，采用多次階梯狀均勻收進(jìn)，做成臺(tái)階形建筑，以滿足規(guī)范要求。否則，按照《抗規(guī)》3.4.4-2要求，應(yīng)對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，剛度小的樓層的地震剪力乘以不小于1.15的增大系數(shù)，其薄弱層應(yīng)按規(guī)范有關(guān)規(guī)定進(jìn)行彈塑性變形分析。

圖2 體型收進(jìn)結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)部位示意圖

3)對(duì)于類似于凸出屋面的小建筑，采用底部剪力法時(shí)，其地震作用效應(yīng)，宜乘以增大系數(shù)3，此增大部分不應(yīng)往下傳遞，但與該凸出部分相連的構(gòu)件應(yīng)予計(jì)入;采用振型分解法時(shí)，凸出屋面部分可作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，參與整體計(jì)算。但是，考慮到該凸出小建筑的“鞭稍效應(yīng)”成因與主體結(jié)構(gòu)固有頻率及地面擾頻有關(guān)，更應(yīng)該從抗震構(gòu)造措施上，加強(qiáng)小建筑自身的抗震能力，以及保證小建筑與屋面結(jié)構(gòu)的可靠連接。

4 結(jié)語

結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)雖然不是一種嚴(yán)重的側(cè)向剛度不規(guī)則建筑，但收進(jìn)尺寸比值超過規(guī)范限值時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能是不利的，水平地震作用下其收進(jìn)處的層間位移角會(huì)顯著變大，周邊豎向構(gòu)件內(nèi)力也明顯增大，嚴(yán)重時(shí)引起結(jié)構(gòu)破壞或倒塌。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建筑平面不僅要平面規(guī)則，更要求豎向規(guī)則，要具體分析體型收進(jìn)的不同特征，采取相應(yīng)的抗震措施，以減小震害。

［1］ 張維斌.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

［2］ 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

On analysis and design of structural step-back building

Cao Fashu

(Datong No.2 Institute of Architectural Design Co.，Ltd，Datong 037006，China)

The paper analyzes the relationship between the structural step-back and irregular lateral rigidity，introduces some types of the structural step-back，explores its influence on the architectural design，and points out the seismic design can be undertaken according to various features of the step-back，so as to reduce the seismic disasters.

structural step-back，lateral rigidity，structural design，seismic capacity

TU318

A

1009-6825(2016)35-0053-02

2016-10-08

曹法書(1973-)，男，工程師