王晔波
北京中联环建文建筑设计有限公司上海分公司
摘要：本文从不规则结构的类型入手，结合杨浦区黄浦江沿岸W7单元03I3-06地块商业项目，探讨处理层间位移角的常见思考方向，如柱截面及梁截面等，并分析本案项目采取的处理位移角问题方式，验证解决此类结构现象方式的有效性。以供参考。
关键词：框架结构；层间位移角；刚度
引言：近几年，国内建筑项目的结构设计更为多样化，为保证整体的美感，会设置诸多不规则的结构。而受到地震的影响，此类结构的建筑被伤害的程度更为严重，而形成该种后果的原因一般是扭转变形造成的。如今国内在地震灾害上的研究逐步深化，促使在不规则结构建筑中的抗震能力标准有所提升。
一、不规则结构概述
在国内的建筑结构规定中，关于不规则结构的类型，大体上分成三类。其一是扭转不规则，受到侧向力的影响，建筑楼层中，层间位移的最大值应当为此层两端的层间平均位移量倍以上。其次是凹凸不规则，在建筑平面上，凹入的规格和对应投影方向的整体规格相比，超过。最后，楼板局部存在不连续的现象，平面的刚度与楼板规格均出现明显波动，如开洞的尺寸大超过本层楼的楼面面积，也可能是楼板宽度不足此楼板常规宽度的一半，或者是楼层间的错层比较明显[1]。
二、案例项目概况介绍
（一）基本概况
黄浦江沿岸W7单元03I3-06地块商业项目位于上海市杨浦区，用地性质是商业服务与文化用地，属于典型的商业项目，要求绿色等级达到一星级。地块整体规划是：地基面积为，容积率是，建筑的限高是。
（二）设计概况
根据建筑的整体规划设计，总施工的建筑面积是，容积率为，建筑的限高是，建筑物的密度是，绿地率为。建筑内部空间设计是：单栋包括地上和地下两个大块，地上设有五层商业文化楼。本项目的绝对标高是，整体结构属于框架式，并且平面及竖向都不规则。结构的长度在，宽度在左右，高度是。标准的柱跨度规格是。地下有一层，地上是五层。不同楼的具体高度分别为：地下室层高是；一楼高度是；二楼的层高是；三楼与四楼同为；五楼层高是，上部带有小塔楼，高度是。
（三）设计条件
本项目地处上海，抗震的设防烈度是7度，并且设计的基本加速度是。设计场地的特征周期是。建筑整体结构的阻尼比是。地震水平方向上的最大影响系数是，地震分组是第二组。此外，基本风压是，建筑地面的粗糙等级是类。风压体型系数是，基本雪压是。此建筑物的耐火等级按照分区不同，地上是二级，地下是一级。地下室的防水等级是Ⅰ级。本项目抗震的设防类型属于标准设防类，框架结构的安全等级是二级，拟设计应用寿命是50年。本项目是砼结构，室内潮湿、露天和无侵蚀效果的水土之间，存在接触点的是二类，在室内的正常条件下，环境类别要求是一类，地下室的外墙等级是二类。本项目建筑基础设置成桩筏结构，拟建设等级是乙级，安全级别是二级。在建设区域内，水位高度是，低水位是。
（四）技术难题
在本建筑物的上部结构中，存在诸多超限的问题，视为极为不规则的多层项目，具体来说，二楼平面上的有效平板宽度不足此层典型宽度值的一半，并存在部分穿层柱体与收进的规格超过对应下层的的情况。在室内的一楼门厅和大屋面，还有部分梁托柱转换。而且偶然偏心楼层的层间位移最大限值超过对应楼层两端层间位移均值的倍，并还有若干项不规则的问题，导致建设难度加大。
三、框架式层间位移角的常规处理思路
由于上述的种种不规则情况，本项目层间位移角超限较多，因此运用了如下手段进行处理。
（一）柱截面及梁截面
一方面，适当扩大柱截面。在处理弹性的层间位移中，此种方式是相对比较有效的方式。由于框架式的结构中，楼层侧移的刚度一般是通过柱体位移的刚度产生的。而该数值可根据以下公式确定：
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其中，D表示框架结构在通过修正处理后，柱体的侧移刚度值；是柱体的线刚度；表示楼层的高度；、分别指柱体截面的宽度及高度；是柱体砼材料的弹性模量。
从上文所示的计算公式不难分析出，柱体侧移刚度和其截面的宽度为正相关，并和对应高度立方为正比例的关系。假设扩大柱体的截面，特别是提升柱体截面的高度，理论上是能增强此类侧移刚度的。根据本文主要分析的建筑项目来看，其整体采取框架式结构，上部设计为五层，标准柱跨规格是。其的一层高度是，二层是4.300m，三层和四层是4.200m，五层是4.250m。梁板的砼结构强度是，钢筋使用级。利用PKPM计算得出，方向上的地震影响力下，楼层间的最大位移角度是；方向上的地震影响下，位移角度最高能达到。在该种条件下，此建筑因为设定限高，不能通过调整结构梁进行处理，因此仅能采取扩大柱截面的方式。把柱体截面从原本的尺寸合理扩大到适宜的截面,从调整为。而修改后的结构，通过计算处理得出的结果是：方向上，层间的最大位移角度是，方向上则调整成，达到建筑的安全标准。
另一方面，改变梁截面。在现代建筑中，改变梁截面同样是处理弹性的层间位移有效方式，但相较于上者而言，并非是最高效的方式。按照上述刚度修正，能按照以下公式进行调整，具体为：
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刚度的修正系数与线刚度是有联系的，假设柱体截面固定，仅改变梁截面的参数，对应线刚度调整中，修正系数会随之变化，继而影响柱体的侧移刚度情况。在建筑框架结构中，弹性层间位移不符合实际标准，应适当增加梁截面，如果刚度差距过于明显，且对应楼层的位移值也不符合要求，可转换思路，缩小其他部位的梁截面，继而实现改变层间侧移刚度的目的。还是以本文所述的的建筑案例为例，通过调整柱体截面，最终得到的结果已经比较趋近建设标准，其中的方向上的位移角在调整后依旧达到，相较于建设标准还是较高，不太经济。面对此种结构条件，可继续改变梁截面，使结构整体布置更加合理。本次将梁宽适当减小，从600mm宽减小为500mm宽。再进行整体计算，最终得出的结果是：在方向上，层间位移角是。而上述调整操作仅改变了梁宽，根据上述公式可知，倘若修改梁高，最后呈现的效果会更为显著[2]。
（二）刚度增大系数
当前的建筑项目通常是采取现浇楼面，楼板是梁体有效翼缘，外观造型大多是或者是。梁体线刚度
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，可以说提升楼面的梁体刚度，从刚度的修正系数角度来说，同样增强侧移的刚度。所以，在计算建筑物的总体框架时，特别是楼层位移方面，需要考量上述问题。梁体的翼缘，其楼板宽度的数值，和对应厚度与跨度、边界情况、配筋结构均有联系。通常情况下，梁体各侧翼缘的宽度大致是六倍的对应楼板宽度。在分析梁体结构刚度增大系数中，现浇楼板对应边框架梁一般设置成，中框架梁则对应。在如今的建筑结构设计中，为合理扩大建筑物的可用面积，以免会将各层的高度有意压缩，由此会制约结构梁体设置高度，此种情况下，一般会形成梁截面偏小，但楼板相对过厚的情况。此时对应的增大系数相应提高。梁体刚度增大系数能提升建筑整体框架的侧向刚度，对层间位移角起有利作用。但此时梁体会承担相对偏大的地震荷载，所以设置的配筋面积也偏大，应用的钢筋材料量也较多。
本文所介绍的建设项目，按照设计标准，明确其梁板厚度。此处不考虑刚度增大系数之前，在实际分析考量中，应先确定框架结构中的各个截面参数，以此确定实际应当选择的调整方向。在经过整体计算后，方向上，层间的最大位移角对应，方向上，位移角度值是。在加入增大系数时，同样先确定框架结构构件所需的截面积，认真记录保留，避免出现有误的计算数据。根据综合结果来看，本不规则结构的项目中，调整刚度增大系数后，得出方向上，位移角的最高值是，方向上该数值对应。从此能分析出，刚度增大系数在控制位移方面是有实效的。可以在不规则的项目中进行合理化应用，同时还需注意控制因此造成的配筋量调整。对于各层的配筋情况，极少数的梁存在超筋的情况，建筑总体的配筋量也有所增加，由此造成此方面的支出量增多，但总体来说，保证框架结构的稳定性，综合效益提升更加明显[3]。
（三）混凝土强度等级
在梁柱砼材料的强度持续增加中，结构延性会随之提高，同时腹部配筋率提升中，结构延性会相应下降，且波动幅度偏高。而位移角和延性指标相似，其也具备一样的变化规律。根据国内相关的砼结构技术标准，对于框架结构而言，层间位移角在弹性阶段需在以内，而弹塑性需在以下。混凝土的强度增加，梁柱结构更加稳定，层间位移能被有效控制，简言之，混凝土强度和位移角成负相关。本项目为不规则结构，并属于多层建筑，为提高整体的稳定性，均在标准强度的基础上适当提升。
（四）其他不规则情况的解决措施
本项目中除了调整层间位移角外，由于存在其他不规则情况，还对其采取了如下措施：其一，对于扭转不规则的情况，选择改变结构布置让刚心与质心更为贴近，以控制扭转的效应。其二，对于竖向抗侧力构件不连续的问题，把托柱梁按转换梁定义分析，支撑转换梁的柱则按照转换柱定义分析。转换柱的箍筋采取复合螺旋箍以及“井”形的复合箍。转换柱对应箍筋特征值在常规框架柱的标准上提高，并进行全高加密。其三，局部收进的尺寸过大的问题，在计算侧向刚度比后，保证各层刚度大体相同，以免出现突变的情况。对应楼板的厚度扩大到，使配筋有所强化，并在收进位置的柱配筋增多。其四，楼板不连续的问题，选择把三楼的楼面和二楼的楼板缺失区域，厚度增加到。采取双向的双层配筋，设定配筋率至少达到。此外强化周边梁体配筋率，同时增加抗扭腰筋。
结束语：在本不规则建筑工程中，设计者严格根据规范标准，修正计算模型与整体构件的布置方案。合理使用钢筋材料，不仅可以满足建筑安全性的需要，还有助于避免大幅度增加施工造价的问题。
参考文献：
[1]马潇雨.基于子集模拟优化的密肋复合板结构优化设计和参数识别[D].导师：刘佩.北京交通大学,2020.
[2]代晓艳,陈生林,舒蓉.BRB在既有单跨多层混凝土框架结构加固设计中的应用[J].四川建筑科学研究,2020,(04):16-24.
[3]苏佶智.强震作用下钢筋混凝土框架结构变形能力及抗倒塌性能研究[D].导师：刘伯权.长安大学,2019.