地震作用下复杂不规则建筑结构的非线性动力响应分析

近年来，随着建筑设计趋向个性化和多功能，造型复杂、高度不均、质量分布不平衡的建筑结构大量涌现。这类不规则建筑虽满足使用与美观需求，但在地震作用下更易发生平面扭转、层间位移集中和内力异常，传统分析方法难以准确评估其受力状态。实际震害调查显示，裙房与主楼连接层、顶层设备层等不规则性显著区域成为破坏集中部位。工程界因此高度重视不规则建筑结构的非线性动力响应分析，并积极探索合理有效的抗震设计策略，以全面提升建筑结构安全性和城市防灾减灾能力。

一、复杂不规则建筑结构类型与动力特性

（一）不规则建筑结构类型

复杂不规则建筑结构主要包括平面不规则性、立面不规则性和质量分布不均三大类。平面不规则性通常表现为建筑物形体突变或不对称布局，如 L 型、T 型、U 型、凹凸形平面，其典型特征是刚度与质量中心不重合，导致扭转反应加剧 [1]。以 L 型建筑为例，当翼缘长度与腹板长度比值大于 2：1 时，其偏心率普遍超过 0.15，易在地震中引发边缘构件受力集中，增加局部破坏风险。立面不规则性主要体现在高度突变、层高变化和层间刚度显著差异。例如，高低塔楼组合建筑中，当高塔与低塔高度比超过 2：1 时，连接部位易形成薄弱层，导致该区域首先出现塑性铰甚至剪切破坏。常见裙房与主楼结合处，其层高突变使剪力墙受力集中，出现“强柱弱墙”问题，影响整体结构的延性和稳定性。质量分布不均主要来源于屋顶水箱、设备层、外挑构件等附加荷载集中区，尤其在超高层建筑中尤为明显。建筑设备层集中荷载可使楼层质量增加15%～20% ，对整体重心及动力特性影响显著，不仅改变结构自振周期，还可能引起结构重心与刚心偏移。特别是在高层建筑中，顶部集中质量会加剧高阶振型的参与，引发复杂扭转及剪切耦合效应，显著提高结构在强震作用下的破坏概率。

（二）动力特性分析

不规则建筑结构在地震作用下的动力响应特性主要集中体现在以下几个方面：第一，平面扭转效应显著增加。与规则建筑相比，存在平面不规则性的建筑结构，其偏心率普遍较高，尤其当偏心率达到 0.15 以上时，其第一振型中扭转模态参与系数可达到 30% 甚至更高，远超过常规框架结构 5%～10% 的水平。这一现象直接导致边缘构件，尤其是外框梁、边柱和节点区域承受超常水平位移与内力，增加裂缝宽度和梁柱节点损伤风险 [2]。第二，高度突变部位刚度失衡，尤其在裙楼与主楼结合处表现尤为突出。由于裙楼层高普遍较高，通常设计为 6 米，而主楼标准层层高约为 3.6 米，两者之间的刚度分布存在明显差异，导致连接层剪力墙与框架柱受力集中。例如，分析表明当裙楼层高 6 米、主楼标准层高 3.6 米时，裙楼层间位移角平均值可达 1/90，明显高于主楼区域普遍控制在1/150 的设计限值。该部位易形成薄弱层及塑性铰带，成为地震破坏的重点区域。第三，质量偏心引发响应放大。设备层质量集中布置时，由于重心上移和偏心率增加，顶部层位移幅值相比主楼中部层位移可增加 20% 以上，同时底部剪力墙内力增加 15%～25% ，形成受力集中。顶部集中质量还可能引发高阶振型能量集中，导致结构在高频地震动作用下响应更加复杂。

二、非线性动力响应分析方法与案例研究

（一）非线性动力响应分析方法

非线性动力响应分析方法主要基于弹塑性动力学理论，综合考虑材料非线性和几何非线性因素对结构整体受力性能的影响 [3]。材料非线性采用理想弹塑性模型，其中混凝土采用 C30 等级，轴心抗压强度 ，弹性模量 ⁴ MPa，钢筋采用HRB400 级，屈服强度 ，按规范取用应力 - 应变关系模型，并结合实际工程经验进行细节调整。几何非线性主要考虑P-Δ效应，通过修正刚度矩阵和引入二阶效应实现，确保分析结果反映真实大位移状态及后期滞回特性。有限元建模采用 ETABS 2020版本软件，构件划分为梁、柱、剪力墙、楼板四大类，梁截面尺寸 400mm×600mm ，柱截面 600mm×600mm ，剪力墙厚度300mm。楼板采用楼盖壳单元模拟，厚度 120mm ，全面考虑楼板整体刚度对整体响应的贡献。地震波输入方面，选用 El Centro 波和 Taft波两条记录，均进行峰值加速度（PGA）统一调整至 0.4g ，阻尼比ζ 取 5% ，采用 Newmark-β 积分法进行时程积分， β=0.25 ，γ =0.5，保证时程分析稳定性和精度，符合现代高层建筑抗震分析要求。模型分析以 X、Y 两个主轴向进行，并考虑扭转响应指标，包括层间位移角、最大位移偏心率、剪力墙内力极值等关键数据，并对各项指标进行全面统计与对比分析，最终为结构抗震性能评价提供可靠依据。

（二）案例研究

为验证复杂不规则建筑结构在地震作用下的非线性动力响应特性，选取一栋 20 层高 80 米的框架 - 剪力墙结构办公建筑作为具体案例。该建筑地上20 层，地下2 层，标准层平面尺寸为4 5m×30m ，总建筑面积约 2.7 万平方米。裙楼部分面积占总建筑面积 40% ，裙楼层高6 m，主楼标准层层高 3.6m ，屋顶设置设备层，设备荷载总重500 t，集中布置在主楼中部区域，属于典型的大跨度裙楼加高层办公楼模式。结构采用 C30 混凝土，HRB400 钢筋，基础形式为筏板基础，筏板厚度 800mm ，采用刚性底板模型处理，边界条件设置为固定约束。模型总质量约 3.0×10⁴ kN，结合实际荷载标准布置恒载、活载以及设备层附加荷载。

分析结果显示，首先，裙楼层层间位移角平均值为 1/85，最大值达到 1/80，明显超过主楼标准层层间位移角 1/150 的设计限值。这说明裙楼部位存在刚度不足和变形集中的问题，易在地震作用下出现位移集中甚至剪切失稳。第二，裙楼 - 主楼结合层被确定为主要薄弱层，非线性分析显示该部位剪力墙最大剪力为4200 kN，是《建筑抗震设计规范》建议值（设计剪力 3150kN ）的 1.33 倍。结合塑性铰发展情况分析，该部位需要加强局部加固，如增厚剪力墙、增加钢筋配筋率或设置屈曲约束支撑。第三，屋顶设备层偏心率达到0.25，顶部层位移与主楼中部层位移相比提高约 22% ，导致高阶振型能量集中分布，进一步说明顶部集中荷载对结构响应影响明显。第四，塑性铰分布主要集中在裙楼层梁端和柱底，其中裙楼连接层梁端出现屈服约占总梁数量的 35% ，剪力墙底部出现约 10% 的塑性铰。这表明裙楼区域承载力存在明显瓶颈，如果不进行优化设计，将成为整体结构的破坏先导区域。综合上述分析结果可见，平面不规则性、立面不规则性和质量分布不均三类因素在实际工程项目中往往叠加存在，并对结构抗震性能和构件安全裕度产生直接影响。因此，必须在设计阶段通过合理构造措施和非线性分析手段加以优化与控制，以确保建筑物整体抗震能力满足规范要求。

三、抗震设计策略与优化建议

（一）不规则性控制

针对复杂不规则建筑结构，必须在建筑方案设计阶段对各类不规则性指标进行严格把控，确保结构安全性能与建筑功能需求之间保持合理平衡 [4]。平面偏心率是判断建筑平面布局合理性的核心指标，建议控制在0.15 以内。偏心率超过该值时，建筑在地震作用下将产生显著扭转效应，导致边缘构件受力增大、层间位移不均。如果因建筑造型、功能布局或场地条件确实存在偏心率超限情况，应同步采取有效的减震或加固措施予以补偿，包括设置屈曲约束支撑（BRB）、在偏心侧增加框架柱或剪力墙、调节内部结构质量分布、优化刚性楼板设计等手段。裙楼与主楼的层高突变比例应控制在1：2以内，特别是裙房层高显著高于主楼时，应通过设置过渡楼层或采用渐变刚度配置设计，例如调整梁高、柱截面尺寸，使得层间刚度变化更加平滑，避免形成薄弱层或集中塑性铰带。大开洞区域是平面不规则性中常见的一类问题，其面积建议严格控制在所在楼层平面面积的 20% 以内，超过该限值时，应采取加强楼板边框、增设次梁、配置边缘加厚剪力墙、增大楼板厚度等措施，有效分散开洞对整体刚度与受力路径的影响。对于屋顶设备层及类似集中荷载区域，建议将集中荷载限制在楼层总质量的 15% 以内。超过该比例时，应优先采用屋顶消能减震装置或增加外围框架与核心筒刚度，具体做法包括增加剪力墙厚度与配筋、设置消能支撑、引入摩擦阻尼墙等，以有效控制集中质量对上部结构扭转反应及层间位移放大的不利影响。

（二）结构体系与构造措施优化

结构体系方面，优先推荐框架 - 核心筒体系、框架 - 屈曲约束支撑（BRB）体系等兼具高延性、高能量耗散能力和高整体刚度的成熟抗震结构方案。在具体构造设计中，剪力墙厚度建议按照主楼与裙楼区域差异化设置，主楼区域剪力墙厚度应不小于 350mm ，裙楼区域不小于 300mm ，确保主楼整体刚度优势，并满足抗震延性要求 [5]。剪力墙分布应合理布置，避免大面积集中或疏散不均，同时设置边缘加腋措施加强墙体边缘区域的受力性能。核心筒内部采用双向剪力墙布置，形成完整封闭式刚性筒体，墙体构造应避免出现明显薄弱部位。必要时可在筒内增设暗柱、加强筋、环形梁等辅助构造，进一步提升抗扭刚度与竖向承载力。设备层及屋顶部位推荐优先采用摩擦阻尼器、屈曲约束支撑（BRB）等消能减震装置，设备选型与布置应符合规程要求，按设计文件进行性能验算，设计耗能比建议控制在输入地震能量的 15%～25% 范围。消能装置的布置应均衡分布，避免因单侧布置引发新的偏心效应。裙楼与主楼连接部位建议设置抗震缝，缝宽不小于 50mm ，具体取值应依据建筑高度、地震烈度及使用功能综合确定，同时加强楼板加厚与配筋处理。推荐加厚区楼板厚度控制在 150mm 及以上，钢筋配置采用双层双向布置，并适当提高配筋率与保护层厚度。关键受力构件如底部柱和剪力墙底部截面应提高 20% 配筋率，并采用 HRB500 级钢筋替代传统 HRB400 级，同时增加箍筋加密区长度，柱底、墙脚部位箍筋间距控制在 100mm 以内，确保构件屈服后具备良好的塑性耗能能力和滞回性能，从而有效提高整体结构的抗震可靠性。

（三）分析与设计方法提升

对于建筑高度超过 50m 或存在明显不规则性的高层建筑，建议在结构设计阶段强制采用非线性动力时程分析方法，避免仅依赖反应谱分析。反应谱分析虽然操作简便，但无法准确反映结构非线性阶段特别是大震下的真实受力状态，尤其对于裙楼 - 主楼结合部和设备层区域等关键部位，必须通过精细化时程分析进行受力复核。设计中建议引入不少于 3 条、推荐 5 条以上符合项目所在地震动特征的实际地震记录，按《建筑抗震设计规范》规定进行幅值调整与时程叠加，全面考虑 ΔX 、Y 两个主轴向及扭转方向响应。推广性能化抗震设计理念，将传统结构位移、内力指标与层间位移角、构件塑性铰发展率等性能指标综合纳入设计控制体系。例如，层间位移角限值应根据不同结构高度严格控制在 1/100～1/150 之间，普通框架控制在 1/100 以内，框架 - 剪力墙或核心筒体系控制在 1/150以内。塑性铰发展率则应严格控制在不超过 30% ，即全结构中进入塑性状态的构件比例不得超过总构件数量的 30% 。若分析结果超过限值，应进行局部优化设计，包括加大构件截面、提高配筋、增设支撑体系或消能构件。结合 BIM 技术与参数化建模手段，推荐实现方案阶段、施工图阶段与施工阶段的数据集成，通过一体化管理提高建筑设计效率和结构抗震可靠性。BIM 模型应包含完整的结构构件属性、荷载信息及施工工艺要求，确保各专业协调一致。

总结：复杂不规则建筑结构在地震作用下表现出明显的非线性动力响应特性，主要包括平面扭转效应加剧、局部刚度失衡以及质量偏心引发的响应放大。通过有限元建模与弹塑性时程分析研究发现，裙楼 - 主楼结合层及设备层区域是结构受力的薄弱环节，需重点加强设计与验算。针对上述问题，建议从不规则性控制、结构体系优化以及分析方法提升三方面入手，严格控制偏心率和层高突变比例，优选高延性抗震体系，推广性能化抗震设计理念。结合 BIM与非线性分析技术，可有效提高复杂不规则建筑的抗震安全性，为实际工程项目提供理论依据和技术支持。

参考文献

[1] 窦本洋 . 不规则复杂超限高层建筑抗震性能研究 [J]. 宿州学院学报 ，2022，37（03）：64-70.

[2] 周鹏 ， 刘伟 ， 陈永 ， 等 . 凸优化 SAR 的城区不规则高层建筑反演重构成像 [J]. 电光与控制 ，2022，29（03）：75-80.

[3] 束仲祎 ， 徐绩青 ， 王登婷 . 基于径向基函数的桩柱波浪力计算和动力响应分析 [J]. 海洋学报 ，2024，46（12）：79-86.

[4] 汪海洋 ， 郭涛 ， 刘海龙 ， 等 . 强震作用下重力坝非线性动力响应分析 [J]. 中国水运 ，2024，24（14）：111-113.

[5] 蔡官民 . 建筑结构设计中的隔震减震措施研究 [J]. 新城建科技 ，2024，33（12）：123-125.