建筑抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則內(nèi)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(shè)計。文章對建筑中存在的質(zhì)量偏心、剛度偏心、強度偏心等引起結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則的因素進行探討，并且結(jié)合結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則在地震作用力下的平扭耦聯(lián)效應(yīng)，進而研究建筑物的動力特性，掌握建筑結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則造成的結(jié)構(gòu)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(shè)計中如何減少結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則提出建議。

關(guān)鍵詞：建筑抗震設(shè)計；結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則；平扭耦聯(lián)

在建筑的抗震設(shè)計中，保證結(jié)構(gòu)安全的最重要的一項內(nèi)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(jié)構(gòu)整體抗震性能的降低，甚至造成建筑結(jié)構(gòu)的整體倒塌。建筑中存在平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)是造成建筑抗震性能薄弱的主要原因，這種不規(guī)則結(jié)構(gòu)更容易在地震發(fā)生時遭受破壞。為了提高建筑抗震設(shè)計水平，需要了解并掌握結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則的具體內(nèi)容，防止出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則的現(xiàn)象。

1建筑抗震設(shè)計中結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則

1.1結(jié)構(gòu)中平面的質(zhì)量存在偏心現(xiàn)象

在建筑結(jié)構(gòu)中，如果樓層中存在截面尺寸不同的構(gòu)件，就一定會出現(xiàn)平面質(zhì)量偏心的現(xiàn)象。即使是我們稱之為質(zhì)量對稱的結(jié)構(gòu)，也會因質(zhì)量分布存在隨機性的特點，并且建筑材料與施工質(zhì)量存在一定的不確定性，同樣會造成結(jié)構(gòu)存在一定程度上的質(zhì)量偏心。我們將結(jié)構(gòu)的自重設(shè)為一個隨機變量，通過概率分析與計算，在只考慮質(zhì)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(jié)構(gòu)中平面的剛度存在偏心現(xiàn)象

在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，“名義剛度”出現(xiàn)在理想化模型中，是由構(gòu)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(jié)束后，結(jié)構(gòu)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(gòu)件的尺寸也存在偏差，構(gòu)件的受荷歷程也有較大的差異，并且構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其剛度也會在一定程度上存在剛度偏心的現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度的分布發(fā)生變化，而結(jié)構(gòu)的扭側(cè)剛度比與抗扭剛度等也會發(fā)生變化。

1.3結(jié)構(gòu)中平面的強度存在偏心現(xiàn)象

在建筑結(jié)構(gòu)中，質(zhì)量與剛度分布不對稱屬于直觀的偏心現(xiàn)象，而結(jié)構(gòu)中因抗側(cè)力構(gòu)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(shè)計中，不同的構(gòu)件有不同的屈服強度，同時構(gòu)件實際屈服時的強度并不容易被精確的確定。與質(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的實際屈服強度與設(shè)計不符，導(dǎo)致構(gòu)件的屈服強度存在差異。由于結(jié)構(gòu)存在強度偏心想象，在形成彈塑性狀態(tài)后，構(gòu)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(zhuǎn)。

2結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)平面不規(guī)則現(xiàn)象，就會造成質(zhì)心與剛心的偏移，會引發(fā)明顯的平扭耦聯(lián)效應(yīng)，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(zhuǎn)周期與平動基本周期的比接近1的情況下，即使平面的結(jié)構(gòu)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(yīng)；②結(jié)構(gòu)所承受的動扭矩要大于水平剪力與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)出現(xiàn)平扭耦聯(lián)效應(yīng)，地震對結(jié)構(gòu)的影響就會被放大，結(jié)構(gòu)中的邊緣構(gòu)件的內(nèi)力會受到一定的影響，結(jié)構(gòu)邊緣的抗側(cè)力構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計中，平面可以被設(shè)計成不規(guī)則的形狀，但是，整個結(jié)構(gòu)的動力特性必須是具有規(guī)則性的。如果結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)動力規(guī)則性進行判斷的依據(jù)。通過對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗的總結(jié)，獲得以下判別動力規(guī)則性的參考數(shù)值：首先，如果結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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(diào)整結(jié)構(gòu)布置，保證使結(jié)構(gòu)的動力特性規(guī)則。

4結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則設(shè)計的注意事項

結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則設(shè)計時，必須注意以下問題：①重點考慮結(jié)構(gòu)的均勻性與對稱性，并對結(jié)構(gòu)的偏心率進行有效的控制。如果能夠保證偏心率足夠小，結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)清晰的平動主振型和扭轉(zhuǎn)主振型，更容易符合扭平分量比的標準；②重視累積質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的影響。如果結(jié)構(gòu)的某一部分存在高低跨現(xiàn)象，需要科學(xué)合理的設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗扭剛度，并且有利于剛心位置的調(diào)整。

5結(jié)束語

總而言之，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，抗震設(shè)計是最重要的環(huán)節(jié)，其設(shè)計的質(zhì)量直接影響建筑的安全性，而結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則是抗震設(shè)計中不可避免的問題，是影響建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計人員必須了解并掌握建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中平面不規(guī)則設(shè)計的具體內(nèi)容以及設(shè)計方法，并靈活運用這些方法，確保建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)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