“ 有关建筑结构规则性的若干问题讨论
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有关建筑结构规则性的若干问题讨论
文/赵仕兴
导言
从历次大地震的经验来看，合理的建筑体型和结构布置是保证建筑抗震性能的基础。建筑结构的规则性判断是抗震设计的前提，是抗震概念设计的重要内容，也是采取诸多抗震措施和抗震超限判断的前提和依据。由于现在建筑造型和平面布置越来越复杂，结构规则性的判断在实际工作中常常给结构工程师造成困扰。为此，《建筑结构》特邀四川省建筑设计研究院有限公司赵仕兴总工程师进行线上专访。
采访内容如下
《建筑结构》Q1：现在建筑的造型和平面布置趋于复杂，在结构平面规则性判定中，怎样确定结构平面范围？
赵仕兴： 建筑结构的平面规则性判断是基于结构平面来进行判断的，因此对于各种各样的建筑平面，特别是复杂平面，如何确定结构平面是判断规则性的前提。一个完整的结构体系，通常是由竖向构件(柱、剪力墙、支撑等)和能够对竖向构件提供有效约束的水平构件(梁、板等)组成，水平构件的投影外边界线围合成结构平面。
一般情况下，结构平面指竖向抗侧力构件围合成的平面。但多数情况下，竖向抗侧力构件以外还有楼盖，当这部分楼盖对结构的整体性和水平刚度有明显贡献时(图1)，则结构平面可算至楼盖的外边缘。
▲ 图1 抗侧力构件以外楼盖对建筑结构整体性和水平刚度有贡献示例
若一栋建筑体型沿竖向有变化，则平面也会有变化，确定该建筑的结构平面规则性时，一般以具有代表性的平面作为结构平面。若多个平面均有代表性(图2)，可以认为该建筑有多个结构平面，对每个结构平面均应进行规则性判断。
▲ 图2 建筑结构有多个代表性结构平面示例
特别要注意的是，对于深凹口平面，即使在凹口处设置拉梁或者拉板，当平面刚度不足时，拉板和凹型平面形成的整体平面不符合平面刚性楼板假定，确定结构平面时不考虑拉梁或者拉板，仍为凹进平面。
实际操作时，如果该处设置的拉板宽度不小于2m，且凹口宽度与拉板宽度之比不大于4，结构平面可以算至拉板外侧，可按楼板开洞考虑(图3)，该处的拉板也可采用平面刚度等效的宽扁梁代替，连梁或者拉板应按拉弯、压弯构件设计。
▲ 图3 按楼板开洞考虑的深凹口平面
《建筑结构》Q2：同一个平面，有人界定为凹凸不规则，有人界定为楼板不连续，可能会给平面规则性判断带来不一样的结果。如何合理区分平面凹凸不规则和楼板不连续？怎样准确判定平面不规则？
赵仕兴 ：凹凸不规则和楼板不连续（图5、6）都是楼板宽度或者平面刚度的变化所导致的平面不规则，一般来说，凹凸不规则是从结构平面的轮廓线判断，是结构平面的外形问题，而楼板不连续是结构平面的内部问题。
平面不规则问题，本质上是楼盖的平面内刚度是否足够、分块楼板之间连接是否可靠有效的问题，因此，要准确判定平面不规则，就应从这个原则出发。面对复杂平面时，往往很难界定为哪一类型平面不规则，此时就需要从多维度判断，取不利结果。
《建筑结构》Q3：当有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%时，可定义为楼板局部不连续，但当楼盖宽度较小，楼盖位置又有大量的楼、电梯间等洞口布置时，怎么计算楼板的有效宽度？
赵仕兴 ：我们都知道，任何一个房屋结构都是三维的，都是空间受力结构体系。所以对于这个问题，我认为也应从结构整体受力、结构刚度的角度去考虑。对于该类楼、电梯间围合的情况，如果洞口周围由钢筋混凝土整体墙、小开口墙或者联肢墙围合，甚至是深梁密柱，即使水平开洞，该处的整体结构刚度依然较大，可以有效传递水平地震作用，那么在计算楼板的有效宽度时可按照不扣除洞口考虑。
《建筑结构》Q4：在《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)中提到了组合平面，对此类组合平面怎么判定其平面不规则性？
赵仕兴 ：组合平面是指一个复杂结构平面由几个主体平面组合而成，包括细腰形和角部重叠平面。常见的细腰形平面（图6）是工字形平面的特例，结构平面表现为中部两侧凹进且宽度明显小于两侧宽度，也可以认为是两个主体平面通过中部连接体组合而成的平面。角部重叠平面是指由矩形平面、圆形平面等主体平面在角部重叠组成的结构平面（图7），也可以认为是细腰形的特例，即该处细腰的长度为0，本质是两个主体平面的连接问题。
▲ 图6 细腰形平面
对于细腰形平面，当连接体两端翼缘宽度不同时，采用连接体宽度和窄翼缘宽度之比进行控制。对于角部重叠平面，可以参照《四川省抗震设防超限高层建筑工程界定标准》(DB51/T 5058—2020)（简称《四川省超限高层界定标准》）的规定，按照水平和垂直方向重叠长度分别控制，重叠部分的长度均小于较小平面相应方向边长的50%时才视为角部重叠。
▲ 图7 角部重叠平面
《建筑结构》Q5：在教学楼、办公楼、宿舍中经常出现周边围合、中部开孔的环形平面或者口字形平面建筑，对于此类建筑怎样判定其规则性？
赵仕兴 ：该类建筑虽然中间开孔较大，但是楼盖的实际刚度较好，可以有效地传递和分配水平力，优于常规的楼板不连续情况，因此可以放宽限制。但是完全不限制该类洞口尺寸也是不合理的。
实际操作中可以综合考虑开洞率、楼板有效宽度和洞口每侧楼板的长宽比进行控制。《四川省超限高层界定标准》借鉴了《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)（简称《高规》）中框架-剪力墙结构对楼盖的长宽比进行限制的思路，规定开洞一侧楼盖的长宽比大于3或者内径大于外径的60%，界定为楼板不连续，相比2010版抗规的开洞率放宽20%左右（图8、9）。
▲ 图8 口字形平面 ▲ 图9 环形平面
《建筑结构》Q6：竖向规则性则往往影响建筑结构的整体安全，历次大地震都有因竖向不规则造成建筑严重破坏甚至倒塌的实例，竖向规则性的准确判断更需要引起足够的重视。《高规》将楼层质量分布不均匀纳入竖向不规则，对此您有什么看法？
赵仕兴 ：个人认为，结构的竖向不规则主要是针对结构体系或者构件本身的特点或者性能而言，如竖向构件不连续、侧向刚度不规则、楼层承载力突变等，属于结构的内在问题，而不是结构的受力情况、荷载情况等结构外在问题。比如，同样竖向布置的两栋建筑，如果其中一栋因为某楼层使用荷载较大，造成楼层质量大于相邻下部楼层质量的1.5倍，就将这栋楼界定为竖向不规则，感觉是不太恰当的。
通常楼层质量问题多因外部荷载分布不均、差异大造成，带来的主要影响是地震力的变化。楼层质量突变，会引起本层及以下各楼层地震剪力的增大，可能会导致构件截面的调整、结构刚度的变化等，但由此产生的问题已在刚度不规则、受剪承载力突变方面进行了限制，并采取了相应的措施。因此，将楼层质量分布不均匀纳入竖向不规则是对同一问题的重复考虑。 《抗规》和《超限高层审查要点》也均未将楼层质量分布不均纳入竖向不规则，侧面说明了将其设置为竖向不规则值得斟酌 。
《建筑结构》Q7：连体结构和多塔楼结构在实际工程中的判别常令结构工程师产生混淆，如何较为准确地区分两者？如，高度方向上两栋塔楼在中部连接是多塔楼结构还是连体结构，连接体采用滑动支座连接时是否为连体结构，大底盘层数、连接体层数对判定多塔楼结构和连体结构的影响，非嵌固的地下室顶板上的独立塔楼是否为多塔楼结构，等等。
赵仕兴 ：按照《高规》术语的解释，连接体在房屋的顶部时，为连体结构（图10（a）），这是很明确的；而高度方向上两栋塔楼在中部连接的结构既属于多塔楼结构，也属于连体结构。广义来讲，多塔楼结构也是连体结构，只是多塔楼结构是在结构的底部相连，并且连接体刚度很大。一般认为，多塔楼结构是裙楼以上两栋或者多栋塔楼可以独立运动、不受约束限制。因此，只要裙房以上塔楼间有连接，且塔楼不能自由运动，就为连体结构。所以，两栋塔楼在中部连接一般应判定为连体结构（图10（b）），不判定为多塔结构。
(a) 连接体位于顶部 (b) 连接体位于中部
▲ 图10 连接体位于不同高度示意
总体而言， 结构是否为连体结构，应以各塔楼是否独立运动作为判断标准 。即使有连接体，如果在地震时，两个塔楼可以自由运动，也可以不判定为连体结构。实际工程中，往往可以通过滑动支座来实现（图11）。当滑动的位移量足够，能够满足大震下的变形要求，并且小震时连接体就可以滑动，那么此时可以认为该结构不是连体结构。
▲ 图11 采用滑动支座的连体结构
当我们考虑大底盘层数、连体层数对判定多塔楼结构和连体结构的影响时， 不能死板地以规范条文来进行判定，重点应关注结构反应和结构受力特征 。比如，当裙房层数较多或连接体层数较多时，结构与看作一栋楼整体分析并无本质区别，那么就可以不判定为多塔结构或者连体结构。
对于地下室，即使不符合规范对嵌固刚度比要求，考虑到周围土体的实际约束，地下室的刚度实际上远远大于上部塔楼刚度，在地震时水平位移也远远小于上部结构，塔楼之间基本上没有地震耦联效应，不考虑地下室的裙房效应，基本不影响结构计算的精度。此时若仍要求按照多塔楼结构进行判定和设计是将简单问题复杂化了。对于结构设计来说，只要能够保证安全，在满足精度的情况下，应该是将复杂问题简单化。
《四川省超限高层界定标准》4.1.2条文说明4款中规定， 对于全埋地下室，仅在地下室连为整体的多栋塔楼可以不作为多塔楼结构， 但地下室顶板构造措施应符合多塔楼结构设计的有关规定，同时地下室顶板尚应符合嵌固部位的构造要求。
《建筑结构》Q8：连体、加强层和多塔楼是否应纳入构件间断不规则的判定？
赵仕兴 ：构件间断是指竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、支撑等）的内力由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递；一般是指竖向构件不连续，即上部楼层有竖向构件，而下部楼层对应的位置处没有竖向构件。若下部楼层有竖向构件，上部楼层没有相应的竖向构件，则不应判定为竖向构件不连续。
对于带加强层的结构，其竖向构件是连续的，本质是竖向刚度突变问题。连体结构和多塔楼结构也不存在竖向构件不连续，在《高规》中也是将连体结构和多塔楼结构纳入尺寸突变或者刚度突变。因此，个人认为《超限高层审查要点》将 加强层、连体类和多塔楼纳入构件间断不尽合理 。
《建筑结构》Q9：转换构件的数量对将转换构件判定为构件间断不规则的影响？
赵仕兴：《超限高层审查要点》将构件间断作为结构的一项不规则，是基于结构体系的层面，构件间断对整体结构的抗震性能有重要影响。如果仅有个别竖向构件不连续，对整体结构影响很小，则不应判定为构件间断。
《高规》条文说明10.2.1条规定，对仅有个别结构构件进行转换的结构，可参照有关转换构件和转换柱的设计要求进行构件设计，但此条并未对转换构件的数量进行定量说明。《四川省超限高层界定标准》4.1.2条文说明5款中明确，构件转换不包括顶部一、二层平面缩小有少量梁抬柱的情况和被转换构件承担的 负荷面积不大于总面积10%的情况。
因此，对于一般情况下， 当转换的构件数量或者负荷面积小于10%时，且对结构性能无重大影响时，可以不判断为构件间断 。以某项目为例（图12），④轴交 轴的框架柱在一层~二层间断，二层以上框架柱的内力通过型钢转换桁架向下传递，因转换的构件数量不足10%，项目实施中不判断为构件间断。
▲ 图12 不判断为竖向构件间断的项目的结构平面布置图
《建筑结构》Q10：尺寸收进25%就认为是竖向不规则是否合理？怎样较为准确判定结构为尺寸收进不规则项？
赵仕兴 ：收进问题的本质是刚度突变和应力集中。从结构概念设计角度来讲，同等情况下，上部楼层刚度大于下部楼层的危害肯定大于上部楼层刚度小于下部楼层的危害。
《抗规》中规定，楼层的侧向刚度小于相邻上一层的70%为竖向刚度不规则。当上部楼层水平尺寸小于相邻下部楼层的75%时，假定刚度分布均匀，则上部楼层刚度小于相邻下部楼层的75%。
按照《抗规》的规定，下部楼层侧向刚度为上部楼层的70%~75%认为是侧向刚度规则，那么显而易见地，上部楼层的侧向刚度为下部楼层的70%~75%同样可以认为是侧向刚度规则。因此， 尺寸收进25%就认为是竖向不规则显然是不合理的 。对于结构顶部有少数楼层收进的结构，按照尺寸收进25%来判定则显得更不合理。
当结构尺寸差异较大、突变明显时，从宏观上，结构突变处的反应、损伤可能较大，则此时进行适当的控制是合理的，或者说判定为一项不规则项是合理的。因此，个人建议， 关于尺寸收进不规则项的判定，层数和尺寸均应放宽 。比如， 收进尺寸75%建议按照60%或者50%进行控制 ；另外参照尺寸收进底部高度的20%规定， 当顶部收进高度小于总高度20%时可以不予考虑 。
《建筑结构》Q11：错层部位的竖向构件受力复杂，易形成多处应力集中部位，且对于刚度比、质量比等的计算极易出现偏差，因而更多地是将错层结构判定为竖向不规则，而非平面不规则。刚度比作为竖向不规则的一项重要控制指标，怎样较为准确地计算错层结构刚度？
赵仕兴 ：关于错层结构的刚度比，目前尚未有较为合理、准确的计算方法。现行的计算分析软件，多是基于层的概念进行结构模型的模拟分析，《高规》10.4.3条中也明确，“错层结构中，错开的楼层不应归并为一个刚性楼板，计算分析模型应能反映错层影响。”因而当错层高差较大（超过梁高）时，往往需要将错开的部位单独定义为一个甚至更多的“层”。其直接后果是，一个结构额外地被划分为更多的“层”，在进行层刚度比统计时就会出现异常，结果失真。
建议参照《高规》对带转换层结构的侧向刚度规定，以等效侧向刚度比实现对错层结构侧向刚度的控制。宜接近1，非抗震设计时不应小于0.5，抗震设计时不应小于0.8。
式中： 、 分别下部结构与错层部分、错层部分与上部结构的等效侧向刚度比； H 1 为错层部分以下结构的高度，其值大于 H 2 时，取 H 1等于或接近 H 2 ，且不小于 H 2 ；为错层部分以下结构（计算模型1，图13（a））的顶部在单位水平力作用下的侧向位移； H 2 为错层部分结构的高度；为错层部分结构（计算模型2，图13（b））的顶部在单位水平力作用下的侧向位移； H 3 为错层部分以上结构的高度，其值大于 H 2 时，取 H 3 等于或接近 H 2，且不大于 H 2 ；为错层部分以上结构（计算模型3，图13（c））的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。
(a) 计算模型1
(错层部分以下结构)
(b)计算模型2
(错层部分结构)
(c)计算模型3
(错层部分以上结构)
▲ 图13 错层结构等效侧向刚度计算模型
除对错层范围的刚度进行整体控制外，考虑到错层范围内部楼层亦可能存在薄弱层，因此通过对错层范围每一个计算单元与相邻计算单元的等效侧向刚度比值进行补充控制。
具体地，错层范围内从底部第一个完整层算起，每一个高度定义为一个计算单元（图14），对相邻的每两个计算单元均采用上面2个公式进行刚度比计算和控制，比值参照前文错层整体部分控制原则取值，其中 为第 i 个计算单元的顶部在单位水平力作用下的侧向位移； H i 为第i个计算单元的高度。同时错层部分的第一个计算单元与相邻下部楼层的侧向刚度比也应进行相应控制。当错层范围内竖向刚度分布均匀时，则可不进行该项计算。
(a) 计算单元1 (b) 计算单元2 (c) 计算单元3
▲ 图14 错层范围内部计算单元划分示意
除按上述方法计算外，也可采用常用的有限元分析软件如MIDAS Gen、SAP2000等，进行空间有限元模型分析，并将其结果与层模型分析结果进行比较，以确保错层结构刚度比分析结果的准确性。
《建筑结构》Q12：《山地建筑结构设计标准》（JGJ /T 472—2020）3. 4. 1条规定，“判定结构规则性时，山地建筑结构应属于一种竖向不规则”，对此您怎么认为？
赵仕兴 ：我认为 这样的规定是偏严的 。以吊脚结构为例（图15），山地建筑结构虽存在不等高接地约束的天然不利情况，但通过结构设计，如采取不同截面的竖向构件，加强回填土的质量，有针对性地对各处约束情况进行控制，减小不等高接地约束带来的不利影响，是可以达到上接地端以上楼层与其下的吊脚部分的受力同普通平底结构差别较小的效果，此时仍将结构判定为一项不规则，要求偏严了。
▲ 图15 吊脚结构
因此，直接将山地建筑归为一项竖向不规则，可能夸大了该类结构的不规则程度，增加了抗震超限工程的数量（某些省份超限审查非常困难），增加设计的工作量，增加了不必要的结构材料消耗。同前面所探讨的问题类似， 山地建筑的竖向不规则情况，建议也应根据实际情况具体分析，更多地从结构整体受力、结构反应等角度来综合判定 。
