平面不规则高层结构的抗扭设计与工程实例分析.pdf

第卜九届夸国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年平面不规则高层结构的抗扭设计与工程实例分析邓孝祥张元坤李盛勇(广州客怕生建筑工程设计事务所广州5 1 0 1 7 0)摘要本文首先分析了高层结掏扭转破坏的机理，扭转变形的特点及引起结构扭转的因素，然后提出了平面不规则高层结构的抗扭设计方法与措施，最后通过工程实例阐述本文所述抗扭方法在实际工程的应用关健词平面不规则，扭转破坏机理，扭转分析抗扭设计1 概述大量震害表明，结构平面不对称、不规则，极其容易造成结构扭转脆性破坏，严重者甚至导致整个结构倒塌。1 9 7 2 年南美洲马那瓜地震中，两幢高层建筑的震害程度截然不同，其中十五层的中央银行大厦因抗侧力构件不对称布置而发生倒塌，而采用对称外框内筒结构的十八层美洲银行大厦却只受到轻微破坏：1 9 8 5 年墨西哥地震中，有5 0 的建筑物直接或间接地由于结构扭转发生破坏：1 9 9 5 年日本阪神地震中，由于结构构件或填充墙非对称布置所造成的结构附加扭转破坏在临街建筑的震害中表现得最为突出：1 9 9 9 年9 月台湾集集地震中，许多不对称的砖房和钢筋混凝土框架结构都出现了明显的扭转震害特征。同时，国内许多大型振动台试验都观测到结构的扭转振动及由扭转产生的破坏。因此高层结构的扭转问题引起各国研究者的充分关注。为了减少结构的扭转变形和提高结构的抗扭能力我国学者和专家在研究并参考国外资料的基础上，在建筑抗震设计规范(G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1)和高层建筑混凝土结构技术规程“(J G J 3 2 0 0 2)(以r 简称抗规和高规)中都对结构扭转问题从周期比和位移比两方面做了相关的规定。2 结构扭转破坏机理及扭转变形分析2 1 结构扭转破坏机理根据材料力学可知，当一个构件受到扭矩作用时，离构件刚度中心越远的地方剪应力越大，剪切变形也越大。而在整体建筑结构中，当结构受到扭矩作用时。竖向构件将承受剪力。如图1 所示的一均匀对称的结构，质心和刚心重合于0 点，当结构受到一扭矩T，邴孝掸，男1 9 7 74 出生工学硬士1 0 7第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年那么将在各柱中产生F 1 和F 2 的剪力。其中离刚心远的柱受的剪力F 1 要大于离刚心近的柱受的剪力F 2。也就是说当结构受到扭矩作用时，离刚心越远的竖向构件将承受越火的剪力。根据结构理论可知，构件的剪切破坏是脆性的。目前结构设计均基于小震作用的组台内力进行配筋，中震和人震主要是通过良好结构构造如“强柱弱梁更强节点。强剪弱弯”等构造措施来提高结构延性以达到耗散地震能量的目的。在中震和大震作用下产生的扭矩作用将明显增大竖向构件的剪力，这将造成竖向墙柱构件不足以抵抗水平剪力，从而导致结构竖向墙柱构件发生脆性剪切破坏，甚至导致整个结构倒塌的严重后果。也就是说一旦由于扭转作用而使得地震作用产生的水平剪力大于竖向墙柱构件所能承担的剪力。整个结构将变成“弱剪强弯，弱柱强梁”的结构体系。显然这种体系的耗能性能极差，结构将可能在瞬间发生脆性破坏而倒塌。因此。结构抗震设计应采取有效措旋严格控制结构的扭转效应并充分估计结构可能产生的扭转效应，适当提高结构的抗扭能力。图I结构扭转受力不意图图2 结构扭转变形示意圈2 2 结构扭转变形分析假定楼板为平面内无限刚，当一个结构发生平动和扭转时，将发生如图(2)所示的变形。显然=鱼华(1)式中瓦。为按刚性楼盖计算，同一侧楼层角点竖向构件最大水平位移或最大层间位移；6 m 为按刚性楼盖计算同一侧楼层角点竖向构件最小水平位移或最小层间位移；J。为按刚性楼盖计算，该楼层平均水平位移或平均层间位移；令位耕皆嚣，将其代式，可得鲁=南当善=1 2 时，瓦。=1 5；当善=1 5 时=3；当善=1 8 时，=9 从这里就可以看出，当善 1 5 时，巧二 3 最h，整个结构变形受力将变得十分不均匀结构在地震作用下将在变形最大的竖向构件处首先破坏，从而造成结构破坏。为了控制楼层变形的均匀性，抗规和高规都做了如下规定：考虑单向偶然偏心影响的地震作用F 楼层竖向构件的最大水平位移或层间位移不宜大于该楼层水平或层间位移平均值的1 21 0 8 雪罐第1 九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年倍，A 类高层不应大于该楼层水平或层间位移平均值的1 5 倍B 类高层不应大予该楼层水平或层间位移平均值的1 4 倍。从另一个角度来分析，控制结构扭转变形的实质是控制结构扭转变形耍小于结构平动变形或者控制结构扭转变形的绝对值比较小。控制地震作用F 结构扭转振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。如图2 所示，当结构发生绝对值很小的水平扭转角口，结构两端部水平位移可表达”1 为：。+譬吨=一譬巾峥苦硼纠+老在式中譬为水平扭转蒯起的水平扭转变形，控制位移比善2 苦，实质就是控制乏棚黼衄转变鹏平动变形批一式可得蚺m 对，是：o 岛毕M 时，老-o s 脊m 吼芝一o，s o因此抗规和高规的规定就是限制控制扭转变形不宜大于平动变形0 2 倍，扭转变形不应大于平动变形0 5 倍。但是当结构抗侧目q 度较大时水平平动位移比较小时，扭转变形为0 5 倍的平动变形也很小。因此，在这种情况下，位移比根据具体情况可以适当放宽。这一思想在“广东省实施高层建筑混凝土结构技术规程(J G J 3 2 0 0 2 补充规定“”已有反映并做了具体规定。3 引起结构扭转效应的因素3 1 地震波扭转分量实际地震波存在六个分量，即除了X、Y、z 三个水平分量外，还存在绕X、Y、z 轴的三个扭转分量其中绕Z 轴的扭转分量直接对结构产生扭矩。由于迄今为止，尚无法准测测定地震波的扭转分量。因此目前的结构抗震设计理论一般都是仅考虑x、Y 向水平地震作用，对于大跨度或者大悬臂结构还需要考虑z 向竖向地震作用，而没有考虑实际存在的地震波扭转分量的作用。这必然对结构的安全造成一定的隐患，甚至部分学者认为地震波扭转分量的作用是造成结构破坏的最重要因素3。2 质心与刚心不重合产生的馕心距刚心的概念最早由著名结构专家美籍华人林同炎提出的。在假设楼板是刚性的前提下，对于单层建筑结构，水平力通过某一点，不产生扭转效应，此点称就是刚心。对于多层建筑刚心与单层建筑情况不同，一般是水平荷载和刚度分布的函数，即具有不确定性。当1 0 9 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年结构进入非弹性阶段，结构各部分构件的刚度是变化的，也就是说刚度中心也是变化的。地震作片j 时，地震力可简化为集中在质心处的集中力F。当结构质心与刚心重合时，地震力F 刚好通过刚心，这时候将不产生扭矩。而当当结构质心与刚心不重合时，而是存在偏心距e 如图3 所示，这时在水平地震作用下不仅产生地震力F，而且还会产生扭矩T=Fx e 显然偏心距e 越大，扭矩T 也越大，扭转效应越明显。除了客观存在的偏心距外，高规还要求计算单向地震作用时应考虑5 L 的偶然偏心的影响。这主要是考虑由于施工、使用造成的附加偏心距及地震扭转分量等引起的不利影响。5 L 不是一个准确的数值，它是国内外通用的数据。是充分考虑扭转效应的一种方法，有利于验证和提高结构抗扭能力3 3 平动一扭转藕联的放大效应文献1 5】推导了考虑平动一扭转藕联反应的计算公式鲁=叫詈，孙函数表达式很复杂，具体可参见文献【5】同时也给出了不考虑平动一扭转藕联反应的计算公式竺：旦1 曼I(4)，L 互J式中二为结构相对扭转响应，该比值反应扭转振动效应的程度；二为结构相对偏心距，即偏心距与结构扭转半径的比值；Z T,为结构一阶扭转周期与一阶平动周期的比值。图3 结构信心示意国1 1 0 m4 譬与争关系曲线图甜l第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年根据计算公式堡：妒l；，吾l绘制了导与争关系曲线如图4。从图中可以看出藕联反,Ir 厶I应对结构的扭转效应有明显的放大作用，设计中应考虑平动一扭转藕联反应。同时可以看出当周期比7：，正大于0 8 以后，结构相对扭转响应=二增大很快。1,为了控制藕联反应对结构的扭转效应的放大作用抗规和高规都做了如下规定：A 类高层结构扭转为主的第一自振周期五与平动为主的第一自振周期五之比正，互不应丈于0 1 9，B 类高层结构扭转为主的第一自振周期互与平动为主的第一自振周期瓦之比乃互不应大于0 8 5 4 高层结构抗扭设计的方法与措施4 1 调整结构平面布置的不规则性。减小结构相对偏心距；由公式(4)可以看出，结构扭转效应与结构相对偏心距成线性关系。因此调整结构平面布置，使结构的质心与刚心接近或者比较接近将会明显减小楼层位移比值，从而改善结构的扭转效应。调整结构平面布置的不规则性一般是在初步计算分析以后从计算结果文件中找出结构的质心和刚心位置，从而判断结构的刚度分布情况。然后再根据具体情况适当增加或者减少离质心较远处的剪力墙从而达到减小质心和刚心偏心率。改善结构扭转效应的目的。4 2 调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比控制结构周期比：由公式(4)可以看出，结构扭转效应与结构周期比Z，Z 的平方成线性关系。因此结构方案设计时，除了调整结构平面布置的不规则性减小相对偏心距外，还应该更加重视减小结构扭转为主的第一自振周期T t 与平动为主的第一自振周期T 1 之比Z 正。因为当两者接近时，由于振动耦联的影响结构的扭转效应明显增大。调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比一般采取以下措施：(1)在建筑允许的情况下，尽量加长或加厚周边剪力墙尤其是离刚心最远处的剪力墙，提高抗扭刚度，减小结构扭转周期Z：(2)减少核心筒的剪力墙厚度或采用弱连梁连接剪力墙，从而减少核心筒日0 度，削弱结构侧移刚度，加大第一平动周期正；(3)在结构周边加设拉梁，加强周边连粱刚度，增强结构抗扭刚度，减小结构扭转周期Z：(4)结构刚心附近的剪力墙对结构抗扭刚度贡献不大，但对侧移刚度贡献较大，因此削弱刚心附近的剪力墙，可以加大第一平动周期Z：(5)在既不能加强周边剪力墙也不能削弱中部剪力墙的情况下，可以适当加强周边框架梁的刚度，从而对结构整体形成套箍效应，增强结构抗扭刚度，减小结构扭转周期Z。显然这种方法是不经济的。只有在以上办法都行不通的情况下才迫不得已的情况F 才采用。4 3 适当提高周边抗扭构件的抗剪能力，增强结构抗扭能力安全度；第十九届全国高层建筑结构学术台议论文2 0 0 6 年目前关于结构整体扭转破坏的机理研究还不是很深入。地震波的扭转分量作用目前也不能定量分析，关于结构周期比及位移比的限值也是基于结构弹性分析得出的结论，对于结构进入弹塑性状态下整体结构的扭转性态的研究还相当不成热在这种情况下。仅仅依靠调整结构布置使其满足规范对周期比和位移比的要求并不能完全保证结构在中震和大震作用下的安全实际上当结构进入非弹性阶段在双向水平地震作用下本来是对称的结构，也会出现随变形状态而变化的偏心，如一角柱的变形进入塑性状态后。刚度完全不同与弹性阶段，而其他角柱可能仍处于弹性状态，这时，水平力会产生很大扭转效应从而可能导致结构破坏从基于性能的抗震思想出发对于那些对抗扭效应控制特别重要的构件如周边剪力墙笱应特别加强其抗剪能力使其保证在中震作用仍然处于弹性状态，从而达到保证结构“中震不坏大震不倒”的目标5 工程实例分析5 1 工程实例一墨5 工程一标准层垂毒构平面踞工程一位于广州市天河区东圃镇珠村地段。地下为一层地下室地上为2 6 层标准层层高3 0 米总高度8 0 米结构体系采用框架剪力墙结构该工程按7 度抗震烈度设防，建筑抗震等级为二级标准层结构布置如图5 结构貌似规则，但实际左右两边不对称，1 1 2 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年造成一定偏心而且结构平面多处开洞。同时建筑大面积开窗，周边不能设置太多剪力堵造成结构抗扭刚度很小，初步结构方案时出现周期比和位移比均超出规范要求。我们在分析结构特性的基础上，采取了以下措施：(1)在满足建筑的要求下，在结构周边设置了四片剪力墙W 1、W 2、W 3、W 4，明显提高了结构抗扭刚度：(2)将简体剪力墙开洞后采用弱连粱将其连接。明显降低其抗侧刚度；(3)根据建筑要求四周开大面积飘窗将周边大部分梁高做到1 0 0 0 m m，明显提高周边粱刚度，从而对结构整体形成套箍效应，从另一途径提高了结构抗扭刚度：(4)施工图设计时，考虑到四片剪力墙W 1、W 2、W 3、W 4 对控制结构扭转效应特别重要，基于性能的抗震思想适当加强了剪力墙的水平筋以提高其抗剪能力提高了结构在中震和大震作用下的安全度。经过上述结构调整后，结构计算结果如表1。振型号周期(秒)角度(度)平动系数(X+Y)扭转系数l2 7 8 3 31 7 9 7 01 0 0(i 0 0+0 0 0)0 0 022 6 1 1 48 9 6 51 0 0(O 0 0+1 0 0)0，0 032 2 9 6 61 4 8 6 20 0 0(0 0 0+0 0 0)1 0 0计算结果表明，结构自振特性十分理想，第一周期和第二周期都是平动。且两周期十分接近，更理想的是前三周期没有出现振型藕联的混合型振型；第一扭转周期T 3 与第一平动周期T 1 之比T 3 T I=0 8 2 5 0 8 5，满足规范要求。在考虑偶然偏心的情况下，地震作用下x 向及Y 向楼层竖向构件的最大水平位移与该楼层水平移平均值的比值分别为1 1 1 和1 2 0：。地震作用下，x 方向和Y 方向最大值层间位移角分别为1 1 1 8 2 和1 1 4 0 7。从计算结果来看，透过上述结构调整后。不仅结构各项指标满足规范要求，而且达到较理想的结果。从而使设计的结构安全可靠，经济合理。5 2 工程实例二工程二位于广州市花都区，地下为一层地下室，地上为2 8 层，标准层层高3 1 米总高度9 0 米，结构体系采用框架剪力墙结构。该工程按6 度抗震烈度设防，建筑抗震等级为三级标准层结构布置如图6。建筑平面左右对称，但上下两部极不对称，明显的上小下大，而且由于建筑的限制使得最上部不能布置较多剪力墙t 从而使得初步结构方案时出现周期比和位移比均超出规范要求。我们在分析结构特性的基础上，采取了以下措施；(1)根据-$形结构的不可变原理，在满足建筑的要求下，在结构上部设置了剪力墙W l，这样冒1 与耽、粥形成一个稳定三角形构架有利于结构抗扭；(2)由于W 2、W 3 处剪力墙比较多，因此将剪力墙W 2、W 3 问的梁减小至2 0 0 X 6 0 0 同时将剪力墙W 1 厚度增加到3 0 0 m r a，这样w l、W 2、W 3 三者刚度比较相近，从而减小结构的不对称性：(3)将筒体剪力墙W 4 采用弱连梁将其连接，明显降低其抗侧刚度；(4)根据建筑要求四周开太面积飘窗将周边部分粱高做到|0 0 0 m m，明显提高周边粱刚度，从而对结构整体形成套箍效应：(5)施工图设计时，考虑到上部剪力墙w l对控制结构扭转效应特别重要，基于性能的抗震思想适当加强了剪力墙w l 的水平筋以提1 1 3 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年高其抗剪能力，提高了结构在中震和大震作用下的安全度经过上述结构调整后，结构计算结果如表2。表2 工程二S A T W E 计算结果振型号周期(秒)角度(度)平动系数(X+Y)扭转系数l2 9 2 8 88 9 9 71 0 0(0 0 0 十1 0 0)0，0 022 6 1 8 61 7 9 8 90 9 7(0 9 7+0 0 0)0 0 332 5 3 9 32 1 20 0 4(0 0 4+0 0 0)0 9 6仨1 lL。习盯I一暇 骅_ 一：静甘：r莲糯哪rI豆LlI 二f必疗j lI一fV4!i i、kI I f I刊一L 1、厂I，、l计、l f I l店：￥自一、一一沁肄与3二标准层结构平面圈表明。经调整后结构自振特性比较理想，第一周期是纯平动，第一扭转周期T3一平动周期Tl之比T3TI=0，86709，满足规范要求。在考虑偶然偏心的情况下，地震下x向及Y向楼层竖向构件的最大水平位移与该楼层水平移平均值的比值分别为1和119。地震作用下，x 方Y 方向最大值层间位移角分别为1 3 2 7 8 和1 P 2 7 1 8。风荷用下。x 方Y 方向最大值层间位移角分别为1 1 4 2 5 和1 1 1 3 1。果来看，通过上述结构调整后，结构刚度适中抗扭性能良好，各项指标满足规求，达到比较理想的结果，从而使设计的结构安全可靠，经济合理。6 结结构的扭转效应十分复杂，而且扭转效应极易导致结构破坏，因此结构工程师必深刻理解结构破坏机理的基础上。从控制结构振动特性的角度出发。调整结构布置，构布置既满足建筑要求又使其计算结果满足规范和规程的要求，、同时采用基于性t第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年能的抗震思想来进行结构抗扭设计，确保结构在地震作用下不发生扭转破坏。参考文献 1 O B 5 0 0 1 卜2 0 0 1 建筑抗震设计规范。北京：中国建筑工业出版社。2 0 0 2【2】J G J 3 2 0 0 2 高层建筑混凝土结构技术规程)，北京；中国建筑工业出版社，2 0 0 2 3】徐培福主编，复杂高层建筑结构设计)，北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 5 4 D B J 1 1 5 4 6 2 0 0 5 广东省实施高层建筑混凝土结构技术规程(J G J 3-2 0 0 2)补充规定北京：中国建筑工业出版社。2 0 0 5 5】徐培福等，高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应，建筑科学，2 0 0 0；(1)1 1 5