3.4 建筑形体及其构件布置的规则性

3.4.1 合理的建筑形体和布置(configuration)在抗震设计中是头等重要的。提倡平、立面简单对称。因为震害表明,简单、对称的建筑在地震时较不容易破坏。而且道理也很清楚,简单、对称的结构容易估计其地震时的反应,容易采取抗震构造措施和进行细部处理。“规则”包含了对建筑的平、立面外形尺寸,抗侧力构件布置、质量分布,直至承载力分布等诸多因素的综合要求。“规则”的具体界限,随着结构类型的不同而异,需要建筑师和结构工程师互相配合,才能设计出抗震性能良好的建筑。
    本条主要对建筑师设计的建筑方案的规则性提出了强制性要求。在2008年局部修订时,为提高建筑设计和结构设计的协调性,明确规定:首先,建筑形体和布置应依据抗震概念设计原则划分为规则与不规则两大类;对于具有不规则的建筑,针对其不规程的具体情况,明确提出不同的要求;强调应避免采用严重不规则的设计方案。
    概念设计的定义见本规范第2.1.9条。规则性是其中的一个重要概念。
    规则的建筑方案体现在体型(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)。
    规则与不规则的区分,本规范在第3.4.3条规定了一些定量的参考界限,但实际上引起建筑不规则的因素还有很多,特别是复杂的建筑体型,很难一一用若干简化的定量指标来划分不规则程度并规定限制范围,但是,有经验的、有抗震知识素养的建筑设计人员,应该对所设计的建筑的抗震性能有所估计,要区分不规则、特别不规则和严重不规则等不规则程度,避免采用抗震性能差的严重不规则的设计方案。
    三种不规则程度的主要划分方法如下:
    不规则,指的是超过表3.4.3-1和表3.4.3-2中一项及以上的不规则指标;
    特别不规则,指具有较明显的抗震薄弱部位,可能引起不良后果者,其参考界限可参见《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》,通常有三类:其一,同时具有本规范表3.4.3所列六个主要不规则类型的三个或三个以上;其二,具有表1所列的一项不规则;其三,具有本规范表3.4.3所列两个方面的基本不规则且其中有一项接近表1的不规则指标。

    对于特别不规则的建筑方案,只要不属于严重不规则,结构设计应采取比本规范第3.4.4条等的要求更加有效的措施。
    严重不规则,指的是形体复杂,多项不规则指标超过本规范3.4.4条上限值或某一项大大超过规定值,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,可能导致地震破坏的严重后果者。

3.4.2 本条要求建筑设计需特别重视其平、立、剖面及构件布置不规则对抗震性能的影响。

3.4.3、3.4.4 2001规范考虑了当时89规范和《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规范》JGJ 3-91的相应规定,并参考了美国UBC(1997)日本BSL(1987年版)和欧洲规范8。上述五本规范对不规则结构的条文规定有以下三种方式:
    1 规定了规则结构的准则,不规定不规则结构的相应设计规定,如89规范和《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规范》JGJ 3-91。
    2 对结构的不规则性作出限制,如日本BSL。
    3 对规则与不规则结构作出了定量的划分,并规定了相应的设计计算要求,如美国UBC及欧洲规范8。
    本规范基本上采用了第3种方式,但对容易避免或危害性较小的不规则问题未作规定。
    对于结构扭转不规则,按刚性楼盖计算,当最大层间位移与其平均值的比值为1.2时,相当于一端为1.0,另一端为1.45;当比值1.5时,相当于一端为1.0,另一端为3。美国FEMA的NEHRP规定,限1.4。
    对于较大错层,如超过梁高的错层,需按楼板开洞对待;当错层面积大于该层总面积30%时,则属于楼板局部不连续。楼板典型宽度按楼板外形的基本宽度计算。
    上层缩进尺寸超过相邻下层对应尺寸的1/4,属于用尺寸衡量的刚度不规则的范畴。侧向刚度可取地震作用下的层剪力与层间位移之比值计算,刚度突变上限(如框支层)在有关章节规定。
    除了表3.4.3所列的不规则,UBC的规定中,对平面不规则尚有抗侧力构件上下错位、与主轴斜交或不对称布置,对竖向不规则尚有相邻楼层质量比大于150%或竖向抗侧力构件在平面内收进的尺寸大于构件的长度(如棋盘式布置)等。
    图1~图6为典型示例,以便理解本规范表3.4.3-1和表3.4.3-2中所列的不规则类型。


    本规范3.4.3条1款的规定,主要针对钢筋混凝土和钢结构的多层和高层建筑所作的不规则性的限制,对砌体结构多层房屋和单层工业厂房的不规则性应符合本规范有关章节的专门规定。
    2010年修订的变化如下:
    1 明确规定表3.4.3所列的不规则类型是主要的而不是全部不规则,所列的指标是概念设计的参考性数值而不是严格的数值,使用时需要综合判断。明确规定按不规则类型的数量和程度,采取不同的抗震措施。不规则的程度和设计的上限控制,可根据设防烈度的高低适当调整。对于特别不规则的建筑结构要求专门研究和论证。
    2 对于扭转不规则计算,需注意以下几点:
        1)按国外的有关规定,楼盖周边两端位移不超过平均位移2倍的情况称为刚性楼盖,超过2倍则属于柔性楼盖。因此,这种“刚性楼盖”,并不是刚度无限大。计算扭转位移比时,楼盖刚度可按实际情况确定而不限于刚度无限大假定。
        2)扭转位移比计算时,楼层的位移不采用各振型位移的CQC组合计算,按国外的规定明确改为取“给定水平力”计算,可避免有时CQC计算的最大位移出现在楼盖边缘的中部而不在角部,而且对无限刚楼盖、分块无限刚楼盖和弹性楼盖均可采用相同的计算方法处理;该水平力一般采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力,并考虑偶然偏心;结构楼层位移和层间位移控制值验算时,仍采用CQC的效应组合。
        3)偶然偏心大小的取值,除采用该方向最大尺寸的5%外,也可考虑具体的平面形状和抗侧力构件的布置调整。
        4)扭转不规则的判断,还可依据楼层质量中心和刚度中心的距离用偏心率的大小作为参考方法。
    3 对于侧向刚度的不规则,建议根据结构特点采用合适的方法,包括楼层标高处产生单位位移所需要的水平力、结构层间位移角的变化等进行综合分析。
    4 为避免水平转换构件在大震下失效,不连续的竖向构件传递到转换构件的小震地震内力应加大,借鉴美国IBC规定取2.5倍(分项系数为1.0),对增大系数作了调整。
    本次局部修订,主要是进行文字性修改,以进一步明确扭转位移比的含义。

3.4.5 体型复杂的建筑并不一概提倡设置防震缝。由于是否设置防震缝各有利弊,历来有不同的观点,总体倾向是:
    1 可设缝、可不设缝时,不设缝。设置防震缝可使结构抗震分析模型较为简单,容易估计其地震作用和采取抗震措施,但需考虑扭转地震效应,并按本规范各章的规定确定缝宽,使防震缝两侧在预期的地震(如中震)下不发生碰撞或减轻碰撞引起的局部损坏。
    2 当不设置防震缝时,结构分析模型复杂,连接处局部应力集中需要加强,而且需仔细估计地震扭转效应等可能导致的不利影响。