这是侧向刚度不规则？

本系列希望利用近几年完成的31个超限项目分别探讨《抗规》中6个不规则项的力学概念以及当前执行上存在的一些问题，提出了相应的修订建议以供探讨。

本文对近几年完成的31个超限工程项目的结构体系以及高度进行分类统计，如图1和图2所示。其中框架-核心筒结构体系最多，有14个，占总数的45%。房屋高度类别较为均匀。图3表示按《抗规》判别的不规则项类型数量统计，其中扭转不规则占比较高。

图 1 不同结构体系所占比例   图 2 不同高度类别所占比例

图 3  31 项超限工程的不规则类型数量统计

本期为第四期，主要针对“侧向刚度不规则”进行探讨。

《抗规》第3.4.3的条文说明中提到：侧向刚度可取地震下的层剪力与层间位移之比值计算，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）  [6]  （简称《高规》）给出了侧向刚度比的具体计算方法，对框架结构采用式（1）计算；对框架-剪力墙、板柱-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构，考虑层高修正后采用式（2）计算。

           （1）

         （2）

式中：为楼层侧向刚度比；为考虑层高修正的楼层侧向刚度比；Vi，Vi+1为第i层和第i+1层的地震剪力标准值，kN；Δi，Δi+1为第i层和第i+1层在地震作用下的层间位移，m。

从楼层侧向刚度比的算法以及刚度比限值两个方面，当前《高规》与《抗规》对于侧向刚度不规则判别主要存在以下问题：

《抗规》在判断侧向刚度不规则时仅对侧向刚度比的下限作出规定，未规定侧向刚度比的上限，若上下楼层侧向刚度相差过于悬殊，也极易导致层间位移角和结构变形发生突变，出现塑性变形集中，形成易损易破坏的受力状态，因此有必要针对侧向刚度比的上限进行研究并作出规定。

侧向刚度比作为判断结构竖向软弱层的一项指标，反映了结构抗侧刚度沿竖向的变化情况。侧向刚度不规则通常是由于竖向抗侧力构件不连续、构件截面突变或立面体型收进所引起的，其主要影响范围是软弱层及其以上一层的楼层；侧向刚度不规则将导致相应楼层地震剪力突然加大，或传力路径发生变化，有害层间位移角显著加大，产生严重的集中塑性变形，最终使得软弱层在地震下严重损伤甚至引起整体结构倒塌。

本文旨在研究适用于高层结构侧向刚度不规则判别的上限值，完善现行相关条文。提出以层应变能密度（即各层单位竖向承重构件面积的平均应变能，层应变能密度ρiEng=ViΔi/2Ai，Ai为层竖向承重构件总面积）作为反映侧向刚度变化的力学指标。以楼层为单位，层应变能密度能直接反映结构在地震作用下各楼层构件的平均受力变形状态，是楼层能量集中程度的一种度量，相应楼层构件的受力变形越大，层应变能密度也越大。

研究了30层和50层框架-剪力墙结构在不同楼层由于截面突变或立面体型收进导致楼层侧向刚度比达到规范限值0.7时，刚度突变楼层与其上一层的应变能密度限值，然后以此限值作为界限，反推出侧向刚度比的上限值。图4与图5分别列出了30层与50层框架-剪力墙结构各楼层在侧向刚度比达到规范下限值0.7时所对应的该层与其上一层的层应变能密度比限值，图6与图7分别列出了30层与50层框架-剪力墙结构当各楼层由于侧向刚度突变使得该层与其下一层的层应变能密度比达到图1与图2中对应限值时，这两层的侧向刚度比。即图4（或图5）中第i层的受力状态与图4（或图5）中第i+1层等效。

通过对图6、图7各楼层刚度比上限数值进行包络拟合，将建议限值取为0.55，也即结构该层侧向刚度不宜小于相邻下一层的55%，亦或楼层侧向刚度不宜大于相邻上一层的180%（1/0.55≈1.8=180%），因此，根据规范对于层刚度比的定义，建议增加层刚度比上限值1.8作为侧向刚度不规则的判断条件，且从图6和图7中可以看出，两个算例大部分楼层由规范下限值0.7反推得到的层刚度比上限值均小于或接近1.8，可以保守认为，当结构各楼层侧向刚度比达1.8时上下相邻两层的受力状态与侧向刚度比达规范下限值0.7时等效，一旦超过此限值，则需要复核该层的力学性能。

建议将《抗规》表3.4.3-1“该层侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻3个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层或出屋面小建筑外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%”修改为“该层侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻3个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层或出屋面小建筑外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%,或由于层高突变、构件截面变化、局部收进导致该层侧向刚度小于相邻下一层的55%”。根据本文建议的不规则判别条件，重新对31个超限项目进行判别，扭转不规则项数量可由18个工程增加至22个。

参考文献：焦柯，赖鸿立，胡成恩，吴桂广，袁辉，彭子祥.高层结构不规则项判别条件的探讨及建议[J].建筑结构，2020,50（10）。