高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計的一些概念

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   《高規(guī)》4.3.5條對的高層結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計的要求：結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。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章所指的復雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。

   4.3.5 的條文說明：本條主要是限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。國內(nèi)、外歷次大地震震害表明，平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心和抗扭剛度太弱的結(jié)構(gòu)，在地震中受到嚴重的破壞。國內(nèi)一些振動臺模型試驗結(jié)果也表明，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會導致結(jié)構(gòu)的嚴重破壞。對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)需從兩個方面加以限制。

1) 限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。本條對 A 級高度高層建筑、 B 級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)及本規(guī)程第 10 章所指的復雜高層建筑，分別規(guī)定了扭轉(zhuǎn)變形的下限和上限，并規(guī)定扭轉(zhuǎn)變形的計算應(yīng)考慮偶然偏心的影響（詳見本規(guī)程第 3.3.3 條）。 B 級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)及本規(guī)程第 10 章所指的復雜高層建筑的上限值 1.4 比現(xiàn)行國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》 GB 50011 的規(guī)定更加嚴格，但與國外有關(guān)標準 ( 如美國規(guī)范 IBC、UBC ，歐洲規(guī)范 Eurocode-8) 的規(guī)定相同。

2) 限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱。關(guān)鍵是限制結(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。當兩者接近時，由于振動耦聯(lián)的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。若周期比 Tt/T1小于 0.5 ，則相對扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)如θr/u一般較小(θ、r分別為扭轉(zhuǎn)角和結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑，θr表示由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離質(zhì)心距離為回轉(zhuǎn)半徑處的位移，u為質(zhì)心位移)，即使結(jié)構(gòu)的剛度偏心很大，偏心距e達到 0.7r ，其相對扭轉(zhuǎn)變形θr/u值亦僅為 0.2 。而當周期比Tt/T1大于 0.85 以后，相對扭振效應(yīng)θ/u值急劇增加。即使剛度偏心很小，偏心距e僅為 0.1r ，當周期比 Tt/T1等于 0.85 時，相對扭轉(zhuǎn)變形θr/u值可達0.25 ；當周期比Tt/T1接近 1 時，相對扭轉(zhuǎn)變形θr/u值可達 0.5 。由此可見，抗震設(shè)計中應(yīng)采取措施減小周期比Tt/T1值，使結(jié)構(gòu)具有必要的抗扭剛度。如周期比Tt/T1不滿足本條規(guī)定的上限值時，應(yīng)調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置，增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

   扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動的主方向，可通過計算振型方向因子來判斷。在兩個平動和一個轉(zhuǎn)動構(gòu)成的三個方向因子中，當轉(zhuǎn)動方向因子大于 0.5 時，則該振型可認為是扭轉(zhuǎn)為主的振型。

HiStruct從以下幾個方面，對高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計中的一些概念進行分析：

1. 為什么扭轉(zhuǎn)比平動對于高層結(jié)構(gòu)而言危害更大

   從構(gòu)件受力的角度看，假如一個規(guī)則的結(jié)構(gòu)，所有的柱子尺寸相同，那么在相同的水平力作用下，經(jīng)過剛心的外力產(chǎn)生平動，所有的豎向構(gòu)件可以通過樓板的有效聯(lián)系共同作用，因此柱子分擔的剪力相同；而不經(jīng)過剛心的外力在平動的基礎(chǔ)上附加了一個扭矩，造成一部分的柱子的剪力與平動產(chǎn)生的剪力相疊加，尤其是角部柱子總受力更大，因此無法有效的發(fā)揮柱子的均衡作用，進而造成部分柱子的薄弱。

   從構(gòu)件的承載力來看，扭轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的扭矩，以剪應(yīng)力的形式存在，一般構(gòu)件的破壞準則通常是由剪切決定的。另一方面，剪切也意味著脆性破壞。

2. 為什么采用位移比和周期比來控制高層結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

   從《高規(guī)》條文說明的解釋來看，位移比即是用來限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；而周期比是用來限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，從而用來限制振動耦聯(lián)，因為振動耦聯(lián)會使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。位移比和周期比缺一不可，對于平面規(guī)則的結(jié)構(gòu)，可能位移比很小，但是周期比很大，同樣對于平面不規(guī)則，但是抗扭剛度很大的結(jié)構(gòu)，可能位移比很大，但是周期比卻很小。HiStruct在此提醒各位使用etabs等程序做高層結(jié)構(gòu)分析的時候，注意這些程序的位移計算結(jié)果均是采用振形分解組合之后的絕對值，因此，對于樓層最小位移的計算可能不準確，因為尤其是結(jié)構(gòu)的底部，可能出現(xiàn)最小位移為負數(shù)的情況。

3. 什么是第一平動周期和第一扭轉(zhuǎn)周期

   舉個例子，這是某高層計算的前幾個振型數(shù)據(jù)：

   振型號 周期 轉(zhuǎn)角平動系數(shù) (X Y)扭轉(zhuǎn)系數(shù)

      1 1.566489.700.97 ( 0.00 0.97 )0.03

      2 1.3479179.381.00 ( 1.00 0.00 )0.00

      3 1.302578.810.03 ( 0.00 0.03 )0.97

      4 0.521590.270.95 ( 0.00 0.95 )0.05

      5 0.46790.451.00 ( 1.00 0.00 )0.00