建筑抗震設計的結構平面不規(guī)則內容

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摘要：為了保證建筑的安全可靠，必須要對建筑進行抗震設計。文章對建筑中存在的質量偏心、剛度偏心、強度偏心等引起結構平面不規(guī)則的因素進行探討，并且結合結構平面不規(guī)則在地震作用力下的平扭耦聯(lián)效應，進而研究建筑物的動力特性，掌握建筑結構平面不規(guī)則造成的結構扭平周期比、扭平分量比、最大位移比的變化，最終為建筑抗震設計中如何減少結構平面不規(guī)則提出建議。

關鍵詞：建筑抗震設計；結構平面不規(guī)則；平扭耦聯(lián)

在建筑的抗震設計中，保證結構安全的最重要的一項內容就是建筑布置的合理性。地震荷載作用下，建筑會先從抗震性能相對較差的位置開始受到破壞，并且這些位置的破壞會造成建筑結構整體抗震性能的降低，甚至造成建筑結構的整體倒塌。建筑中存在平面不規(guī)則結構是造成建筑抗震性能薄弱的主要原因，這種不規(guī)則結構更容易在地震發(fā)生時遭受破壞。為了提高建筑抗震設計水平，需要了解并掌握結構平面不規(guī)則的具體內容，防止出現(xiàn)建筑結構平面不規(guī)則的現(xiàn)象。

1建筑抗震設計中結構平面不規(guī)則

1.1結構中平面的質量存在偏心現(xiàn)象

在建筑結構中，如果樓層中存在截面尺寸不同的構件，就一定會出現(xiàn)平面質量偏心的現(xiàn)象。即使是我們稱之為質量對稱的結構，也會因質量分布存在隨機性的特點，并且建筑材料與施工質量存在一定的不確定性，同樣會造成結構存在一定程度上的質量偏心。我們將結構的自重設為一個隨機變量，通過概率分析與計算，在只考慮質量分布不均勻造成的偶然偏心的情況下，可以認為將0.05倍垂直于地震作用方向邊長作為偶然偏心距具有一定的保證率。

1.2結構中平面的剛度存在偏心現(xiàn)象

在建筑結構的設計中，“名義剛度”出現(xiàn)在理想化模型中，是由構件彈性模量與截面尺寸通過計算而得出的剛度值。而“實際剛度”則是在建筑施工結束后，結構在實際的約束條件與載荷分布下，載荷與位移的比值。在建筑施工過程中建筑材料存在不穩(wěn)定性，構件的尺寸也存在偏差，構件的受荷歷程也有較大的差異，并且構件實際約束與理想化模型不同，受到這些因素的影響，建筑結構的實際剛度就會存在較高的不確定性。即使是我們稱之為對稱的結構，其剛度也會在一定程度上存在剛度偏心的現(xiàn)象，造成結構的抗側剛度的分布發(fā)生變化，而結構的扭側剛度比與抗扭剛度等也會發(fā)生變化。

1.3結構中平面的強度存在偏心現(xiàn)象

在建筑結構中，質量與剛度分布不對稱屬于直觀的偏心現(xiàn)象，而結構中因抗側力構件強度的差異造成的強度偏心通常不會被輕易發(fā)現(xiàn)，容易被忽略。設計中，不同的構件有不同的屈服強度，同時構件實際屈服時的強度并不容易被精確的確定。與質量偏性和剛度偏心一樣，平面強度的偏心現(xiàn)象是無法避免的。建筑結構中的鋼筋、混凝土等材料存在一定的不確定性，實際施工使用的材料與計算時存在差異，造成結構的實際屈服強度與設計不符，導致構件的屈服強度存在差異。由于結構存在強度偏心想象，在形成彈塑性狀態(tài)后，構件的屈服水平存在差異，屈服出現(xiàn)的時間不同，就會造成抵抗合力作用點的改變，從而造成彈塑性扭轉。

2結構平面不規(guī)則在地震時的受力狀態(tài)

如果在建筑中存在結構平面不規(guī)則現(xiàn)象，就會造成質心與剛心的偏移，會引發(fā)明顯的平扭耦聯(lián)效應，而平扭耦聯(lián)系統(tǒng)在受到地震影響時的受力狀態(tài)如下：①如果在扭轉周期與平動基本周期的比接近1的情況下，即使平面的結構基本對稱，也會因受到地震的影響而出現(xiàn)嚴重的平扭耦聯(lián)效應；②結構所承受的動扭矩要大于水平剪力與結構偏心距的積。如果扭平周期比接近1，則動扭矩就會呈倍數(shù)增大；③如果結構出現(xiàn)平扭耦聯(lián)效應，地震對結構的影響就會被放大，結構中的邊緣構件的內力會受到一定的影響，結構邊緣的抗側力構件就會更快的被扭剪，直至被破壞。

3動力的規(guī)則性分析

在建筑結構的設計中，平面可以被設計成不規(guī)則的形狀，但是，整個結構的動力特性必須是具有規(guī)則性的。如果結構平面不規(guī)則，可以使用扭平周期比、扭平分量比以及最大位移比作為對結構動力規(guī)則性進行判斷的依據(jù)。通過對建筑結構設計經驗的總結，獲得以下判別動力規(guī)則性的參考數(shù)值：首先，如果結構是動力規(guī)則的，其扭平周期比會小于等于0.85、扭平分量比會小于等于10%，而最大位移比將小于等于1.2；其次，在結構動力不規(guī)則的類別中，可以分為一般不規(guī)則、特別不規(guī)則以及嚴重不規(guī)則三種情況。在一般不規(guī)則的情況下，扭平周期比會小于等于0.85，扭平分量比會在10%～15%，而最大位移比將在1.2～1.4，在特別不規(guī)則的情況下，扭平周期比會在0.85～0.90，扭平分量比會在15%～20%，而最大位移比將在1.4～1.5，而在嚴重不規(guī)則的情況下，扭平周期比會在0.90～0.95，扭平分量比會在20%～30%，而最大位移比將在1.4～1.5。在進行結構設計的初期，如果扭平周期比與扭平分量無法滿足以上動力規(guī)則性的要求，那么無論最大位移比是多少，都需要盡量調整結構布置，保證使結構的動力特性規(guī)則。

4結構平面不規(guī)則設計的注意事項

結構平面不規(guī)則設計時，必須注意以下問題：①重點考慮結構的均勻性與對稱性，并對結構的偏心率進行有效的控制。如果能夠保證偏心率足夠小，結構就會出現(xiàn)清晰的平動主振型和扭轉主振型，更容易符合扭平分量比的標準；②重視累積質量對結構的影響。如果結構的某一部分存在高低跨現(xiàn)象，需要科學合理的設置剪力墻，有效的降低偏心距；③如果樓板因存在大面積缺失的現(xiàn)象而形成長短柱的狀態(tài)，不但要提高短柱的延性，而且需要提高長柱的剛度；④提高結構周邊梁的剛度。通過提高周邊連梁與框架梁的剛度，可以提高整體結構的抗扭剛度，并且有利于剛心位置的調整。

5結束語

總而言之，在建筑結構設計中，抗震設計是最重要的環(huán)節(jié)，其設計的質量直接影響建筑的安全性，而結構平面不規(guī)則是抗震設計中不可避免的問題，是影響建筑結構抗震性能的關鍵因素。因此，設計人員必須了解并掌握建筑結構抗震設計中平面不規(guī)則設計的具體內容以及設計方法，并靈活運用這些方法，確保建筑結構抗震設計滿足規(guī)定要求，提高建筑抗震性能。

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作者:劉偉 單位:深圳中建院建筑科技有限公司