建筑結構抗扭設計初探

1、建筑結構抗扭設計初探    【摘要】歷次震害表明，很大一部分建筑物破壞是因為扭轉引起。本文對建筑結構設計中的抗扭設計做了簡單的分析。 【關鍵詞】建筑結構；扭轉因素；抗扭設計 地震造成的建筑物扭轉破壞實例很多，地震作用本身是多方向的，存在扭轉分量，目前尚無實測資料，也無法計算。因此結構的抗扭設計必須引起結構工程師的重視，本文對結構扭轉產(chǎn)生的原因進行了分析，并提出了一些解決問題的方法和措施，希望能對結構設計能有所裨益。 1 造成建筑結構的扭轉的因素 1.1 外力作用。地震時地面質量間具有運動的差別性，使地面不僅產(chǎn)生平動分量，同時也產(chǎn)生轉動分量，正是后者迫使結

2、構產(chǎn)生了扭轉。但由于地震觀測的工作條件復雜，使得扭轉分量的相關理論和計算方法還不成熟，一些實際技術工作也沒能得到解決。 1.2 建筑平面不規(guī)則 平面不規(guī)則的建筑物在地震中容易產(chǎn)生扭轉破壞，這已經(jīng)在歷次地震中得到了驗證。例如帶有較長翼緣的L形、U 形、H形、T形、十字形、Y 形平面、長寬比很大的長條形平面，因為此類平面在地震時容易發(fā)生差異側移導致扭轉，從而使建筑物嚴重破壞。 1.3 平面剛度不均勻 當建筑結構的平面剛度不均勻，剛度中心與質量中心之間相差較遠時，會導致地震作用下結構的扭轉破壞。 1.4 質量分布不均勻 當建筑物質量分布不均勻，質量偏心會引起扭轉，質量集中在周邊也會加大扭轉。 1.5

3、 結構抗扭剛度弱 結構抗扭剛弱亦容易引起扭轉破壞，結構應具有一定抗扭剛度。 2 建筑結構抗扭設計的具體措施 2.1 建筑方案階段結構專業(yè)應預先介入 建筑師為追求建筑外觀效果，建筑方案平面、立面均比較復雜，為避免出現(xiàn)嚴重不規(guī)則的平面布置，結構工程師應預先介入，與建筑師配合協(xié)調，使建筑平面盡量規(guī)則簡單，符合抗震概念設計。 2.1.1 控制平面布置宜簡單、規(guī)則、對稱，減少偏心。對L形、H形、T形、十字形、Y 形平面突出部分長度進行控制，使之符合高層建筑混凝土結構技術規(guī)程表4.3.3的要求； 2.1.2 控制建筑平面的長寬比。當建筑物長寬比較大時，不符合樓板在平面內無限剛性的假定。在地震作用下，采用樓

4、板在自身平面內無限剛假定進行計算的結果不符合地震反映的結果，容易產(chǎn)生扭轉破壞。在風力作用下，也會出現(xiàn)因風力不均勻及風向紊亂變化而引起的結構扭轉、樓板平面撓曲等現(xiàn)象。為了避免樓板變形帶來的復雜受力情況，建筑物長度應加以限制。當設防烈度為6度和7度時，長寬比不宜超過6；當設防烈度等于或大于8度時，長寬比不宜超過5。 2.2 結構設計階段的抗扭設計 為了減少結構的扭轉變形和提高結構的抗扭能力，抗震規(guī)范提出了位移比的要求，高規(guī)提出了兩個量化指標：結構平面布置應減少扭轉影響。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓

5、層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.4倍。結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復雜高層建筑不應大于0.85。其中位移比限制結構平面布置不規(guī)則性，避免過大的偏心而導致結構產(chǎn)生較大的扭轉效應，周期比限制結構的抗扭剛度不能太弱。結構設計過程中可從以下7個方面著手，使結構抗扭能力符合規(guī)范要求。 2.2.1 高層建筑宜調整平面形狀和結構布置，避免結構平面不規(guī)則；當建筑物平面形狀復雜

6、而又無法調整其建筑方案使之成為較規(guī)則的結構時，可設置防震縫將其劃分為較簡單的幾個結構單元。 2.2.2 在布置抗側力結構時，應盡量均衡地布置抗側力構件，使結構的剛度中心和質量中心盡量重合，避免過大的偏心而導致結構產(chǎn)生較大的扭轉效應，使結構的位移比滿足規(guī)范要求。 （1）如計算出的周期比TtT1仍不能滿足規(guī)范要求，應調整抗側力構件的布置，增大結構的抗扭剛度。調整時如結構的層間位移角剛剛滿足規(guī)范，結構剛度富裕量不大，可以均衡地加強結構外圈剛度；如結構的層間位移角遠小于規(guī)范限值，結構剛度富裕量很大，可以在加強結構外圈剛度的同時，均衡地削弱結構內筒中心抗側力構件的剛度，效果更為明顯。 （2）抗側力構件應

7、按“均勻、分散、對稱、周邊”的原則，使平面剛度分布均勻，并使平面剛心和質心盡可能地接近。 （3）加大周邊構件的截面，加大內筒與周邊剪力墻主要連接構件的截面，增強結構整體性，從而有效增加抗側剛度，減小層問側向位移。 （4）借助材料力學抗扭剛度概念，高層建筑結構從整體分析角度出發(fā)，剪力墻按“均勻、分散、對稱、周邊”的原則布置外還應符合以下要求，在抗扭剛度角度上，剪力墻分量主要是長度從外到里逐步減少，從抗側移剛度角度上，剪力墻分量直線上均勻分布。 （5）由于轉換層上下的剪切剛度比和建筑專業(yè)的限制，在無法增加落地剪力墻情況下，可在轉換層以上的較長的墻肢中間開洞，這樣可在扭轉剛度降低不多情況下有效地降低轉換層上層的剪切剛度，從而有效地降低剪切剛度比。 3 結語 扭轉是地震作用下導致結構破壞的重要原因，所以結構設計必須重視結構的抗扭設計。除應滿足規(guī)范控制結構扭轉的兩個量化指標外，還應加強概念設計。結構剛度均勻，剛心與質心應盡量重合，