12.1.1 复杂高层建筑结构指高层建筑中在结构平面布置和结构竖向布置中存在对抗震不利的不规则性或采用了有较明显的抗震薄弱部位的复杂类型结构。如:带加强层结构、错层结构、连体结构、带转换层结构、多塔结构、竖向体型收进、悬挑结构等。复杂高层建筑结构设计应从抗震概念设计原则出发,尽量减少结构平面不规则和竖向不规则的程度,避免同时采用多种不规则复杂类型的建筑结构,不应采用严重不规则的结构体系。
12.1.2 结构不规则性及对抗震不利的复杂建筑结构的含义:
1 平面不规则
1)凹凸不规则:结构平面尺寸超过表12.1.2的限值时,应视为平面凹凸不规则。
表12.1.2 平面凹凸不规则的比值限值
说明:《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010与《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010中提出的凹凸不规则应包括以下四类:平面狭长;凹进过多;凸出过长、过细;平面叠合部小或腰部过细。
1 平面过于狭长的建筑物在地震时由于两端地震波输入有位相差而容易产生不规则振动,产生较大的震害,如图12.1.2-1中,对于图(a)按L/B复核;对于图(b)、(d)、(e)、(f)、(g):当凸出部分的b较小、凸出部分面积(b×l)与主体面积(B×L)相比为较小时,按L/B复核,但当b和l较大时,可按L/Bmax复核。
2 凹进过多不规则是l/Bmax较大,如图(b)、(d)、(g),这里一般是指b和b/l较大时发生的凹进,若b或b/l很小则不属于此类不规则。
3 凸出过长、过细是指凸出部分l/b过大,如图(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)当b较小时应注意复核。
4 叠合部小及腰部过细是指图形(g)和(h),对于图(h)中当叠合部分e/L<0.3应为不规则;对于图(g)中细腰宽度B/Bmax<0.5应为不规则。
当结构平面凹凸不规则时,应在设计中考虑楼板变形产生的不利影响,参见本措施3.1.3条11款。
图12.1.2-1 建筑平面示意
2) 楼板局部不连续或较大的楼层错层
有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%,或开洞面积大于该层面积的30%(图12.1.2-2)。当楼板平面因开洞而使楼板有过大削弱时,应在设计中考虑楼板变形产生的不利影响,参见本措施3.1.3条11款。
图12.1.2-2 楼板局部不连续示意
说明:抗震结构中楼板的作用如下:
1 提供建筑物某些构件如隔墙、幕墙的支点,并抵抗水平力,但楼板不属于竖向抗震体系的一部分;
2 传递横向力至竖向抗震体系,可将每层楼板看作一根水平深梁,将风或地震产生的力传递至各种抗侧力构件;
3 将不同的抗震体系中的各组成部分连成一体,并提供适当的强度、刚度,以使整个建筑能整体变形与转动。
因此,应根据楼板开洞的部位是否阻碍了水平力的传递、开洞的尺寸是否已影响了板作为水平放置的深梁的承载力等方面,去衡量该洞口是否可以设置。如楼板开大洞部位不影响地震作用的传递,可以不限开洞百分比。如图12.1.2-3所示,有一段楼板,两端为剪力墙,中部为框架。当建筑受到水平力时,其所受力需由楼板传至两端的剪力墙。如果在洞1位置有洞口,它将影响楼板所受水平力传至左端剪力墙,因此,即使洞口面积小于楼板面积的30%,也是不宜设置的。对于洞口2,位于楼板长度的中部,犹如一根梁在中部有洞口,它对于梁的承载力影响是较小的,因而,即使洞口面积大于楼板面积的30%,只要构造得当,例如在楼板上下两边适当加厚、布置梁以便受力等,也是可以的。
有较大的楼层错层,如图12.1.2-4所示。较大错层指楼面错层高度h0大于相邻高侧的梁高h1时,或两侧楼板横向用同一钢筋混凝土梁相连,但楼板间垂直净距h2大于支承梁宽1.5倍时,当两侧楼板横向用同一根梁相连,虽然h2<1.5b,但h0>纵向梁高度hz时,此时仍应作为错层,当较大错层面积大于该层总面积30%时,应视为楼层错层。
图12.1.2-3 楼板位置示意
图12.1.2-4 较大楼层错层示意
3)扭转不规则
按刚性楼板计算在规定水平地震力作用下楼层的最大弹性水平位移和层间位移,大于该楼层两端弹性水平位移和层间位移的平均值的1.2倍时,应视为扭转不规则,如图12.1.2-5。δ2>1.2( ),则属扭转不规则。
图12.1.2-5 建筑结构平面的扭转不规则示意
①高层建筑考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下,楼层竖向构件的最大水平位移及层间位移,对于A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍,即δ2<1.5(),对于B级高度及本章所指的复杂高层建筑不应大于平均值的1.4倍,即δ2<1.4()。具体要求详本措施第2.3节。
②结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比,A级高度高层建筑不应大于0.9、B级高度及本章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。详见本措施2.2.2条。
2 竖向不规则
1) 侧向刚度有突变
高层建筑的竖向体型宜规则、均匀,避免有过大的外挑和收进。结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化。高层建筑相邻楼层的侧向刚度变化应符合下列规定:
①对于框架结构,楼层与相邻上部楼层的侧向刚度比可按(12.1.2-1)式计算,本层与相邻上层的比值不宜小于0.7,与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8。
图12.1.2-6 楼层侧向刚度示意
②对于框架-剪力墙、板柱-剪力墙、剪力墙、框架-核心筒、筒中筒结构,与相邻上部楼层侧向刚度比为考虑层高修正的楼层侧向刚度比,可按(12.1.2-2)式计算;本层与相邻上层的比值不宜小于0.9;当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时,该比值不宜小于1.1;对结构底部嵌固层,该比值不宜小于1.5。
式中: γ2——考虑层高修正的楼层侧向刚度比。
2)竖向抗侧力构件不连续
竖向抗侧力构件(柱、剪力墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架)向下传递,引起竖向抗侧力构件不连续,如局部框支结构或在局部楼层增设加强层的结构,均为侧向刚度突变。
3)楼层受剪承载力突变
A级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%,不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%;B级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。
图12.1.2-7 竖向抗侧力结构受剪承载力非均匀化(有薄弱层)
说明:楼层抗侧力结构的层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上,该层全部柱、剪力墙、斜撑的受剪承载力之和。
侧向刚度变化、承载力变化、竖向抗侧力构件连续性不符合本款第1)、2)、3)条要求的楼层,其对应于地震作用标准值的剪力应乘以1.25的增大系数。
4)上部楼层收进或外挑
①当结构上部楼层收进部位到室外地面高度H 1与房屋高度H之比>0.2时,上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍。
当超出上述限值时,为避免收进部位的层侧向刚度的突变,对收进部位的上下层抗震要求适当提高,计算时充分考虑结构高振型的反应。
③当上部结构楼层相对于下部尺寸外挑时,下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部尺寸B1的0.9倍,且水平外挑尺寸a不宜大于4m,见图12.1.2-8。
图12.1.2-8 结构竖向收进和外挑示意
但如果建筑物的竖向抗侧力构件,自下到上连续,且无突变,仅楼层梁外挑,则不受此限。
当外挑后结构刚度能满足本款第1)中的①②要求时,且对结构扭转的影响能满足本条第1款第3)的要求时,也可不限。
④结构顶部取消了部分墙、柱形成空旷大空间。
12.1.3 结构不规则性程度的判别
1 建筑设计应符合抗震概念设计的原则,注意分析判断结构不规则的程度,区分一般不规则结构、特别不规则结构、严重不规则结构,建筑设计时宜采用规则结构或一般不规则结构,不宜采用特别不规则结构,不应采用严重不规则结构;
2 规则的建筑结构体现在体型(平面和立面的形状)简单,抗侧力体系的刚度和承载力上下变化连续、均匀,平面布置基本对称。即在平立面、竖向剖面或抗侧力体系上,没有明显的、实质的不连续(突变);
3 一般不规则结构是指超过12.1.2条平面或竖向不规则规定的个别项不规则指标(但超过不多)的结构;
4 特别不规则结构是指具有较明显的抗震薄弱部位,可能引起不良后果者,通常有三类:
1)同时有三项及三项以上超过12.1.2条规定的平面或竖向不规则指标;
2)具有较明显抗震薄弱部位,可能引起不良后果,主要表现为:
①扭转偏大:裙房以上有较多楼层考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.4;
②抗扭刚度弱:扭转周期比大于0.9,混合结构扭转周期比大于0.85;
③层刚度突变:本层侧向刚度小于相邻上层的50%;
④高位转换结构:框支墙体的转换构件位置7度高于5层,8度高于3层;
⑤厚板转换:7~9度设防的厚板转换结构;
⑥塔楼偏置:单塔或多塔综合质心与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长的20%;
⑦复杂连接:各部分层数、刚度、布置不同的错层或连体两端塔楼高度、体型或者沿大底盘某个主轴方向的振动周期显著不同的结构;
⑧多重复杂:同时具有转换层、加强层、错层、连体和多塔类型中的三种及三种以上。
3)具有两项超过12.1.2条规定的平面或竖向不规则指标且其中一项接近第2)条所列出的指标。
5 严重不规则指的是体型复杂,平面、立面极不规则,多项指标超过12.1.2条限值较多或某一项大大超过规定限值,具有现有技术和经济条件不能克服的严重的抗震薄弱环节,将会导致地震破坏的严重后果者。
12.1.4 带转换层的高层建筑的设计要求见本措施第7章。