作者：顧樂(lè)明

最近小i 網(wǎng)紅的水文發(fā)得比較多。今天回歸主業(yè)，談一下結(jié)構(gòu)。

地上結(jié)構(gòu)由水平體系和豎向體系組成。水平體系主要作用有兩個(gè)：1）在豎向，承受樓面或屋面的豎向荷載，并將它傳遞給豎向體系；2）在水平方向，起隔板和支承豎向構(gòu)件的作用，并保持豎向構(gòu)件的穩(wěn)定。

豎向體系主要作用也有兩個(gè)：1）在豎向，承受由水平體系傳來(lái)的全部荷載，并把它傳給基礎(chǔ)；2）在水平方向，抵抗水平作用力如風(fēng)荷載、水平地震作用等，也把他們傳遞給基礎(chǔ)。

▲水平荷載和豎向荷載

對(duì)于豎向分體系，抵抗豎向力和抵抗水平力，有時(shí)候是同一類構(gòu)件。比如框架結(jié)構(gòu)的框架柱，既承擔(dān)豎向力，又參與抵抗水平力。

有時(shí)候豎向力和水平力由不同類構(gòu)件分別承擔(dān)。比如框架支撐結(jié)構(gòu)，豎向力主要由柱子承擔(dān)，水平力主要由支撐承擔(dān)?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)，豎向力由柱子和剪力墻承擔(dān)，水平力主要由剪力墻承擔(dān)。本文主要想討論僅承擔(dān)水平力的構(gòu)件應(yīng)該如何布置？

一個(gè)四層框架支撐結(jié)構(gòu)的布置

如果有一個(gè)四層的框架支撐結(jié)構(gòu)，每層布置兩個(gè)支撐。一般情況下，我們會(huì)布置成上下對(duì)齊的兩列。如下圖所示。

▲方案1

如果不考慮建筑功能和立面的影響，這樣布置是不是也行？這個(gè)應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題。

▲方案2

那這樣是不是也可以呢？......這個(gè)要想一下。

▲方案3

▲方案4

上述方案3~4中，在水平荷載作用下，支撐的內(nèi)力在梁柱節(jié)點(diǎn)處分解為梁的水平力和柱的豎向力，相當(dāng)穩(wěn)妥。與方案1的傳力方式并沒(méi)有本質(zhì)的不同。方案2支撐之間首尾相連，傳力效率更高。

對(duì)于樓板完整的結(jié)構(gòu)，樓板平面內(nèi)剛度很大，只要保證樓面系統(tǒng)傳遞水平力的可靠性，支撐作用在樓板的哪個(gè)位置其實(shí)是沒(méi)有關(guān)系的。這時(shí)結(jié)構(gòu)體系是可以用糖葫蘆串模型進(jìn)行分析的。在糖葫蘆串模型中，一個(gè)樓層僅一個(gè)自由度，相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)點(diǎn)。既然整個(gè)樓層相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，那樓層間的支撐只要數(shù)量一樣，放在哪里就應(yīng)該是沒(méi)有關(guān)系的。那支撐是不是上下對(duì)齊也就沒(méi)有關(guān)系了。

為什么想到這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樾發(fā)現(xiàn)日本的結(jié)構(gòu)工程師在布置支撐時(shí)，是刻意地進(jìn)行分散布置的。我問(wèn)他們?yōu)槭裁匆稚⒉贾?，他們反?wèn)我不應(yīng)該都是這樣的嗎？好吧，我無(wú)言以對(duì)。

下圖是早稻田大學(xué)的一棟大樓的立面，外立面是耐震加固的支撐。

下圖是東京工業(yè)大學(xué)的教學(xué)樓，剪力墻是棋盤式布置的。剪力墻可以看成是大號(hào)的支撐。

對(duì)支撐布置方式的思考

那就有個(gè)疑問(wèn)，為什么包括小i在內(nèi)的國(guó)內(nèi)大多數(shù)結(jié)構(gòu)工程師第一反應(yīng)支撐都應(yīng)該是上下對(duì)齊布置的呢？小i問(wèn)了幾個(gè)朋友，回答是因?yàn)橐?guī)范引導(dǎo)的。如果抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，規(guī)范認(rèn)為是豎向不規(guī)則，我們需要避免不規(guī)則布置。

做過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)師都知道《抗規(guī)》3.4.3條，豎向不規(guī)則的主要類型中有一條：豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。指的是豎向抗側(cè)力構(gòu)件（柱、抗震墻、抗震支撐）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件（梁、桁架等）向下傳遞。

條文說(shuō)明中，給出了兩個(gè)抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的案例如下。

之前小i也一直覺(jué)得，只要支撐或剪力墻沒(méi)有上下對(duì)其布置，就屬于抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。但仔細(xì)閱讀發(fā)現(xiàn)，規(guī)范中有個(gè)關(guān)鍵詞叫“水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件”。所以，按照規(guī)范的表述方案1-4抗側(cè)力構(gòu)件都是連續(xù)的。

只有當(dāng)抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力需要由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件承擔(dān)時(shí)，才叫抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。比如下面這種方案5的布置。

▲方案5

小i用軟件分析了各個(gè)方案內(nèi)力。為了看清差異，將框架梁兩端均設(shè)為鉸接，柱底也設(shè)為鉸接，即框架不參與抗側(cè)。假設(shè)在左上角有一個(gè)100KN的水平集中力，在該集中力作用下，各布置方案的軸力如下所示。

▲軸力圖

由圖可見(jiàn)，方案1-4中，支撐桿件的軸力均為70KN左右。這是因?yàn)楦鞣桨?，每層都布置了兩根支撐，每層的層剪力均?00KN，支撐不管是拉還是壓，其軸力就是都是70KN。

不同的是方案1柱的軸力最大，因?yàn)橹螌?duì)齊布置，抵抗傾覆力矩時(shí)，參與抗側(cè)的柱子距離最小。這是方案1的劣勢(shì)，結(jié)構(gòu)抵抗傾覆的效率比較低。方案3、4，柱的軸力則比方案1小，但力的傳力路徑長(zhǎng)，參與的構(gòu)件多。這將導(dǎo)致需要關(guān)注和進(jìn)行抗側(cè)設(shè)計(jì)的桿件會(huì)更多。而方案2是這里最好的。

▲變形圖

再看變形，方案1剛度最小，方案3~4剛度居中，方案2剛度最大。

看到這里，小i似乎明白了。我們國(guó)家地震烈度比較低，一般通過(guò)上下對(duì)其的方式布置抗側(cè)力構(gòu)件，雖然抗傾覆時(shí)效率比較低，但完全能夠搞定，同時(shí)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，地震下重點(diǎn)關(guān)注支撐相關(guān)的若干列柱子就可以了。

但是如果地震烈度比較高，比如日本，上下對(duì)其的抗側(cè)力構(gòu)件布置方式會(huì)帶來(lái)柱軸力過(guò)于集中的情況，只能采取分散布置的方式。

把支撐替換成剪力墻，布置的這個(gè)原則應(yīng)該也是成立的。

再來(lái)看下，抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的情況。如下圖所示，變形在抗側(cè)力構(gòu)件轉(zhuǎn)換的地方有突變，而內(nèi)力也很集中，被轉(zhuǎn)換的支撐構(gòu)件其實(shí)沒(méi)怎么吃上力。因此，這種情況最好避免。

綜上所示，支撐（剪力墻）的布置就非常自由了。哪怕上部是連續(xù)布置的支撐（剪力墻），首層支撐（剪力墻）應(yīng)建筑需求往邊上移了一跨，只要柱子足夠強(qiáng)，感覺(jué)也完全沒(méi)有什么問(wèn)題。

小結(jié)

小i覺(jué)得，對(duì)于層數(shù)不高的建筑，如果建筑師有需求，支撐（或剪力墻）的布置是可以很自由地布置的。更高的高層建筑，是否可以也是自由地布置支撐，小i還沒(méi)想好。

以上希望對(duì)大家有啟發(fā)，也歡迎大家留言討論。