建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)初探

1、建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)初探    【摘要】歷次震害表明，很大一部分建筑物破壞是因?yàn)榕まD(zhuǎn)引起。本文對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗扭設(shè)計(jì)做了簡單的分析。 【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；扭轉(zhuǎn)因素；抗扭設(shè)計(jì) 地震造成的建筑物扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)例很多，地震作用本身是多方向的，存在扭轉(zhuǎn)分量，目前尚無實(shí)測資料，也無法計(jì)算。因此結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)必須引起結(jié)構(gòu)工程師的重視，本文對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的原因進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有所裨益。 1 造成建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)的因素 1.1 外力作用。地震時(shí)地面質(zhì)量間具有運(yùn)動的差別性，使地面不僅產(chǎn)生平動分量，同時(shí)也產(chǎn)生轉(zhuǎn)動分量，正是后者迫使結(jié)

2、構(gòu)產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)。但由于地震觀測的工作條件復(fù)雜，使得扭轉(zhuǎn)分量的相關(guān)理論和計(jì)算方法還不成熟，一些實(shí)際技術(shù)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(zhuǎn)破壞，這已經(jīng)在歷次地震中得到了驗(yàn)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?yàn)榇祟惼矫嬖诘卣饡r(shí)容易發(fā)生差異側(cè)移導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)，從而使建筑物嚴(yán)重破壞。 1.3 平面剛度不均勻 當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的平面剛度不均勻，剛度中心與質(zhì)量中心之間相差較遠(yuǎn)時(shí)，會導(dǎo)致地震作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)破壞。 1.4 質(zhì)量分布不均勻 當(dāng)建筑物質(zhì)量分布不均勻，質(zhì)量偏心會引起扭轉(zhuǎn)，質(zhì)量集中在周邊也會加大扭轉(zhuǎn)。 1.5

3、 結(jié)構(gòu)抗扭剛度弱 結(jié)構(gòu)抗扭剛?cè)跻嗳菀滓鹋まD(zhuǎn)破壞，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定抗扭剛度。 2 建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)的具體措施 2.1 建筑方案階段結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)預(yù)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(fù)雜，為避免出現(xiàn)嚴(yán)重不規(guī)則的平面布置，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)預(yù)先介入，與建筑師配合協(xié)調(diào)，使建筑平面盡量規(guī)則簡單，符合抗震概念設(shè)計(jì)。 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(jìn)行控制，使之符合高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程表4.3.3的要求； 2.1.2 控制建筑平面的長寬比。當(dāng)建筑物長寬比較大時(shí)，不符合樓板在平面內(nèi)無限剛性的假定。在地震作用下，采用樓

4、板在自身平面內(nèi)無限剛假定進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果不符合地震反映的結(jié)果，容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞。在風(fēng)力作用下，也會出現(xiàn)因風(fēng)力不均勻及風(fēng)向紊亂變化而引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、樓板平面撓曲等現(xiàn)象。為了避免樓板變形帶來的復(fù)雜受力情況，建筑物長度應(yīng)加以限制。當(dāng)設(shè)防烈度為6度和7度時(shí)，長寬比不宜超過6；當(dāng)設(shè)防烈度等于或大于8度時(shí)，長寬比不宜超過5。 2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的抗扭設(shè)計(jì) 為了減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形和提高結(jié)構(gòu)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(gè)量化指標(biāo)：結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)影響。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)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(yīng)大于該樓

5、層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(yīng)大于0.9，B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。其中位移比限制結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則性，避免過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，周期比限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中可從以下7個(gè)方面著手，使結(jié)構(gòu)抗扭能力符合規(guī)范要求。 2.2.1 高層建筑宜調(diào)整平面形狀和結(jié)構(gòu)布置，避免結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則；當(dāng)建筑物平面形狀復(fù)雜

6、而又無法調(diào)整其建筑方案使之成為較規(guī)則的結(jié)構(gòu)時(shí)，可設(shè)置防震縫將其劃分為較簡單的幾個(gè)結(jié)構(gòu)單元。 2.2.2 在布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量均衡地布置抗側(cè)力構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心盡量重合，避免過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的位移比滿足規(guī)范要求。 （1）如計(jì)算出的周期比TtT1仍不能滿足規(guī)范要求，應(yīng)調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的布置，增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。調(diào)整時(shí)如結(jié)構(gòu)的層間位移角剛剛滿足規(guī)范，結(jié)構(gòu)剛度富裕量不大，可以均衡地加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圈剛度；如結(jié)構(gòu)的層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)剛度富裕量很大，可以在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圈剛度的同時(shí)，均衡地削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)筒中心抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，效果更為明顯。 （2）抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)

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(zhì)心盡可能地接近。 （3）加大周邊構(gòu)件的截面，加大內(nèi)筒與周邊剪力墻主要連接構(gòu)件的截面，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，從而有效增加抗側(cè)剛度，減小層問側(cè)向位移。 （4）借助材料力學(xué)抗扭剛度概念，高層建筑結(jié)構(gòu)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(yīng)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(cè)移剛度角度上，剪力墻分量直線上均勻分布。 （5）由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換層以上的較長的墻肢中間開洞，這樣可在扭轉(zhuǎn)剛度降低不多情況下有效地降低轉(zhuǎn)換層上層的剪切剛度，從而有效地降低剪切剛度比。 3 結(jié)語 扭轉(zhuǎn)是地震作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的重要原因，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須重視結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)。除應(yīng)滿足規(guī)范控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的兩個(gè)量化指標(biāo)外，還應(yīng)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)剛度均勻，剛心與質(zhì)心應(yīng)盡量重合，