建筑抗震设计中结构竖向不规则的限定

摘要：建筑抗震设计中结构竖向不规则是因结构沿竖向布置(如楼层质量、几何尺寸、刚度、强度或几者的组合)，发生突变或不连续而产生，使结构局部产生过大的应力集中或塑性变形集中，导致结构局部薄弱诱发整体损伤甚至倒塌。我国及欧美各国现行设计规范中一般都有结构竖向不规则临界控制极限的定量规定，且特别强调从总体概念设计的角度保证内力或能量竖向传递路径的连续，避免结构楼层屈服机制的产生，避免因局部削弱或突变而产生过大的应力集中或塑性变形集中。

关键词：建筑抗震设计；结构竖向不规则

　　Abstract: Seismic design is due to the irregular structure of the vertical structure along the vertical layout (such as floor quality, geometry, stiffness, strength, or a combination of several persons), or a combination of several persons

 generated to make the structure of local produce excessive the stress concentration or concentration of plastic deformation, resulting in the overall structure of the local weak induced damage and even collapse. Quantitative requirements of Europe and the United States to the current design specifications are generally irregular vertical structure of the critical control limits, and special emphasis on conceptual design from the perspective of the overall internal force or energy to ensure continuous vertical transmission path, to avoid structural floor yielding mechanism , to avoid weakening or mutations localized excessive concentration of stress or plastic deformation concentrated. Key words: seismic design of buildings; irregular vertical structure

地震地面运动作用下，建筑物的损伤破坏首先会出现在结构侧向抗震系统的薄弱部位，薄弱部位的损伤破坏会进一步加剧结构抗震性能的退化，从而导致结构整体的倒塌。建筑物的薄弱部位主要来源于结构配置的缺陷或不规则，如结构或构件不规则的几何尺寸、软弱的楼层、质量过分集中以及不连续的侧向抗震系统等。

1.结构竖向不规则的内容

1.1强度分布不规则

结构的楼层强度(楼层屈服承载力)是指给定楼层在所考虑的水平地震作用方向上，抗侧力系统所有单元的受剪承载力总和。强度不连续楼层通常也称为“弱层”。主要由于抗侧力单元(柱或剪力墙等)偏小的截面尺寸或纵向配筋不够等因素而产生的相邻上、下楼层抗侧强度的差异。“弱层”容易引起结构的弹塑性行为集中，改变结构位移分布模式，而导致结构局部或整体的不稳定或倒塌。通常较小的楼层强度改变就可能导致较大的抗震延性需求分布的变化。这一结果与 Valmundsson的分析结果趋势一致。

1.2刚度分布不规则

结构相邻楼层高度的改变、竖向结构单元的突然中断、非结构单元的参与等导致结构刚度竖向不连续，刚度不连续层通常称为“软层”。由于建筑结构功能和建筑美观的需求，结构楼层高度的改变和竖向抗侧力单元的中断是很普遍的形式。非结构单元不可预见地参与抗侧力系统通常出现在砌体填充框架结构体系中，如果设计合理，填充墙的有效刚度和强度作用可能提高框架的抗震性能；如果设计不合理，即使结构其他布置连续、对称也容易出现“软层”的情况。“软层”容易引起楼层应力集中，层间位移增大，柱两端过大的弹塑性变形集中(塑性铰)容易产生层侧移机制，其损伤破坏是最严重的。

1.3质量分布不规则

竖向不规则的质量分布可以通过比较楼层间的有效重量(重力荷载代表值)来判断。楼层有效重量是结构每层自重荷载标准值和一定比例的可变荷载组合值之和。质量集中楼层经常出现在结构设备层、储存库房层和顶层游泳池等，竖向不规则结构的质量分布影响结构的动力反应，可能导致不可预期的高模态行为和地震反应需求部位集中，过大的质量可能导致侧向惯性作用力的突然增大，导致结构局部竖向构件的负荷增大而构件延性减小。

2.建筑抗震设计中竖向不规则限定的问题

竖向不规则结构抗震性能研究的文献较多，但由于其力学特性的复杂性和采用方法的不同以及出发点的不一致，日前缺乏对竖向不规则结构复杂特性全面、精确的分析。虽然针对竖向不规则结构抗震性能的研究已取得很大的进展，但依然有不少问题有待深入的研究，如下几个方面的问题:

2.1竖向不规则结构模型

以采用集中质量剪切型 MDOF 模型为例，依次为 4, 8 和 16 层，分别代表低层、中层和高层结构。在此结构模型中，底层强度和底层刚度突变常被认为对结构抗震最不利，同时，当楼层刚度变化时，其强度一般也会随之变化。鉴于此实际情况，分别考虑底层强度不规则、底层刚度不规则和底层强度与刚度组合不规则三种形式：(1)分析强度不规则对结构延性需求的影响时，底层屈服强度修改为第二层(相邻层)屈服强度的80%，70%，60%和50%，其它各层屈服强度保持不变，所有楼层刚度均保持不变；(2)分析刚度不规则的影响时，底层刚度修改为第二层刚度的80%，70%，60%和50%，其它各层刚度保持不变，所有楼层强度均保持不变；(3)分析强度和刚度组合不规则的影响时，底层强度和刚度修改为第二层强度和刚度的80%，70%，60%，50%，其它各层强度和刚度保持不变。在此基础上按比例改变底层强度和刚度得到竖向不规则结构，这样更接近于实际设计的结构。

2.2竖向不规则对延性需求的影响

2.2.1 强度不规则的影响

将底层强度分别折减为相邻上层80%，70%，60%和50%，随着强度折减率增大，MDOF 模型的三种结构最大层间位移延性需求(出现在底层)都明显增大；且目标延性系数越小，增大比例越大。当底层与二层强度比为80%时4，8，16 层结构最大层间位移延性需求依次增大140%~190%、100%~140%和 90%~210%，说明了底层强度不规则结构在考虑速度脉冲影响时有更大的位移延性需求。

2.2.2刚度不规则的影响

当目标延性系数较大时，随着刚度折减率的增大，低层、中层和高层三种结构的最大层间位移延性需求都呈减小趋势。主要原因是结构底层刚度减小，一方面使得底层位移需求增大，另一方面因楼层强度保持不变，刚度减小使得层间屈服位移也增大。而层间位移延性系数是层间最大位移和屈服位移的比值，当层间屈服位移的增大快于层间最大位移时，就会使得层间位移延性需求减小。

2.2.3组合不规则的影响

随着强度和刚度组合折减率增大，结构最大层间位移延性需求明显增大。主要原因是：一方面强度的减小使结构延性需求增加，另一方面刚度减小又使结构延性需求减小。当目标延性系数为4，一层、二层强度和刚度比为70%时，4，8 和16层竖向不规则结构最大层间位移延性需求依次增大230%，150%和250%。

2.3竖向不规则对位移需求的影响

延性一定，竖向不规则引起底层位移增大，其他层位移减小。底层增大比例为组合不规则最大，强度不规则次之，刚度不规则最小。对刚度不规则，KR=0.7 时底层位移需求增大，4，8 和16 层结构增大比例依次为42%，33%和40%。底层刚度减小使得底层层间位移延性需求减小，在前述已说明；同时导致其它楼层位移需求减小，而其它层因刚度和强度保持不变，故屈服位移保持不变，所以底层刚度的减小也使得其它楼层位移延性需求减小。

3.我国对建筑抗震设计中结构竖向不规则的限定

限定建筑抗震设计竖向不规则的极限，是保证建筑结构的安全建设和运营的有效措施。我国GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》，规定建筑竖向布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位而产生过大的应力集中或塑性变形集中。结构竖向不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构，应进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析，结构分析应采用空间结构计算模型。对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。规范定义了3种类型的结构竖向不规则。另外，在JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中要求，高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构；结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。对高层建筑，A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。

4.结束语

在国内，随着高层建筑的发展、建筑功能和美观要求不断提高，结构形式日益复杂，竖向不规则结构的应用也日趋广泛。竖向不规则结构抗震性能的研究也成为热点问题，结构竖向不规则布置形式是建筑结构抗震设计中的不利条件之一，常出现在高层建筑的中间层、顶层等，基于不同结构类型、更多的地震动记录、更多竖向不规则类型和薄弱层位置和数目，有待更为深入的研究。

参考文献：

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