高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設計問題分析與研究

1、<p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設計問題分析與研究</p><p>　　【摘要】本文首先分析了影響高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的主要因素，然后談了談工程上抗扭手段，最后就高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應和控制進行詳細的探討。提出了自己的一些看法，可供參考。 </p><p>　　【關鍵詞】高層建筑；扭轉(zhuǎn)效應；概念設計 </p><p><b>　　前言 </b>

2、;</p><p>　　大量震害表明，地震作用下平面凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)結(jié)構(gòu)，受力復雜、傳力不明確，容易誘發(fā)和造成結(jié)構(gòu)局部薄弱部位率先發(fā)生破壞，嚴重者可引起整個結(jié)構(gòu)倒塌破壞。國內(nèi)一些振動臺模型試驗結(jié)果也表明，扭轉(zhuǎn)效應會導致結(jié)構(gòu)的嚴重破壞。震害表明，地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞，主要表現(xiàn)在變形受力較大而又薄弱的邊緣部位豎向構(gòu)件率先受到?jīng)_擊損壞，地震作用效應隨之不斷積累，造成邊緣部位豎向構(gòu)件較快進入破壞狀態(tài)，嚴重者造成結(jié)

3、構(gòu)局部倒塌，甚至引起整個結(jié)構(gòu)破壞倒塌，這種扭轉(zhuǎn)破壞機制較難實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)延性耗能，對建筑結(jié)構(gòu)抗震十分不利，設計必須加以控制。 </p><p>　　一、高層建筑扭轉(zhuǎn)問題的產(chǎn)生分析 </p><p>　　人們物質(zhì)文化生活的豐富，隨著也對建筑功能和形式的要求越來越多樣。建筑師為了迎合人們的這種需求，越來越傾向于設計出平面和立面都很復雜的建筑，在高層住宅建筑中，因考慮到多用戶型，采光通風及住戶私密

4、性的要求，大量采用風車形、井字形聯(lián)體結(jié)構(gòu)的平面布置，甚至將這兩種結(jié)構(gòu)布置組合在一起形成啞鈴狀的平面結(jié)構(gòu)布置方案。風車形這類建筑平面有較大的外伸長度，剪力墻主要集中在中間的樓、電梯間部位，各個單元之間連接部分開洞較多，聯(lián)系較薄弱；啞鈴狀這類建筑平面通常長寬比較大，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量集中在兩端且由于偶然偏心很大，對結(jié)構(gòu)的受力很不利。 </p><p>　　二、高層建筑工程抗扭措施分析 </p><p>

5、;　　1、平面剛度、質(zhì)量的分布。地震本身是多方向的，存在扭轉(zhuǎn)分量，而目前尚未見實測資料，也無法計算。如果結(jié)構(gòu)本身剛度不均勻，將加劇扭轉(zhuǎn)作用。扭轉(zhuǎn)是導致結(jié)構(gòu)破壞的重要原因，由于無法預見和計算，因此減少結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不均勻和剛度不均勻，加強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抗扭能力成為減少震害的重要措施，是十分重要的設計概念。不考慮耦連反應的基于靜力概念的近似計算公式如下： </p><p>　　、r 分別為扭轉(zhuǎn)角和結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑， ?r

6、 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；K1、Kt分別為凝聚后的結(jié)構(gòu)項部的側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度；m1、mt分別為凝聚后的結(jié)構(gòu)頂部的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量；F 為頂部側(cè)向力；Mt為頂部扭轉(zhuǎn)。由式 l 可知，對結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應需從兩方面加以限制。 </p><p>　?。?）限制結(jié)構(gòu)平面不規(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，關鍵就是控制好設計偏心矩 e。高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)

7、振動是難以避免的。諸多國家的抗震設計規(guī)范都規(guī)定，對于均勻?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，給與設計偶然偏心距 e0，e0=（0.05～0.1）L，L 垂直于地震作用方向的建筑物的邊長；對于不對稱結(jié)構(gòu)，按靜力方法計算時，將計算的偏心距 e1 乘以 1.10～1.17 的增大系數(shù)并加上偶然偏心距 e0，即設計偏心距 e=（1.10～1.17）e1+（0.05～0.1）L。故對平面長度較長的結(jié)構(gòu)在整體結(jié)構(gòu)十分不合理的情況下首要考慮的是設縫，以降低 L 進而減少設計偏

8、心矩 e，從而有效的降低扭轉(zhuǎn)作用。 </p><p>　?。?）限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，關鍵是限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 T+與平動為主的第一自振周期 T1 之比。周期比 Tt/Tt與結(jié)構(gòu)的抗扭剛度 Kt、抗側(cè)剛度 K1.轉(zhuǎn)動慣量 mt 以及質(zhì)量 m1有如下關系 ： </p><p>　　結(jié)構(gòu)的抗扭剛度Kt與X 向抗側(cè)剛度Klx.Y向抗側(cè)剛度K1Y 及構(gòu)件抗扭剛度 Kt1有如下關系

9、式：Kt= Σ（Kxiyi2+ KYiXi2+ Kti）（式 3） </p><p>　　K1X= Σ KXi，KIY= Σ KYi（ 式 4） </p><p>　　剛心坐標公式：由公 </p><p>　　式 2、3、4、5 和 6 可以看出，如注意結(jié)構(gòu)的合理布置，提高抗扭剛度 Kt 與抗側(cè)剛度 K1 的比值，就可減少 Tt/T1 的值，從而減輕扭轉(zhuǎn)振型效應的影

10、響。影響剛度是否均勻的主要因素是剪力墻的布置，剪力墻應按“均勻、分散、對稱、周邊”的原則布置，集中布置在結(jié)構(gòu)平面的一端會導致結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心距離較大致使偏心矩 e 增大，從而使結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)作用增大。對稱布置剪力墻、井字筒，周邊布置剪力墻，或周邊布置剛度很大的框筒，都是增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度的重要措施， 有利于抵抗扭轉(zhuǎn)。為了減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)，還應注意平面上質(zhì)量分布，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)，因為其轉(zhuǎn)動慣量 m

11、與質(zhì)量 m 的比值較大，將會使周期比 Tt/ T1增大，這對于連體結(jié)構(gòu)（如風車形、啞鈴形的結(jié)構(gòu)） 尤為注意。 </p><p>　　2、豎向剛度、質(zhì)量的分布。框支剪力墻是典型的沿高度剛度突變的結(jié)構(gòu)，它的主要危險在于框支層的變形大，框支層總是表現(xiàn)為薄弱層。由于建筑物立面有較大的收進或頂部有小面積突出的小房間造成建筑立面體型沿高度變化，或者為了加大建筑空間而頂部減少剪力墻等，都可能使結(jié)構(gòu)頂部少數(shù)層剛度突然變小，從而加

12、劇地震作用下的鞭梢效應，使頂部的側(cè)向甩動變形過大。 </p><p>　　三、高層建筑工程上抗扭手段分析 </p><p>　　由上面分析，結(jié)合工程實際，可得工程上常用的抗扭手段如下。（1）抗側(cè)力構(gòu)件應按“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。（2）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，能增強結(jié)構(gòu)整體性，從而有效增加抗側(cè)剛

13、度，減小層問側(cè)向位移。（3）平面凹凸不規(guī)則處加拉梁，有條件的應增設拉接樓板，增強結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力。在結(jié)構(gòu)抗扭設計布置及調(diào)整過程中，有幾點值得注意。 </p><p>　　1、借助材料力學抗扭剛度概念，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”的原則布置外還應符合以下要求，在抗扭剛度角度上，剪力墻分量（主要是長度）叢外到里逐步減少，從抗側(cè)移剛度角度上，剪力墻分量直線上均勻分布。 <

14、/p><p>　　2、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。 </p><p><b>　　四、結(jié)語 </b></p><p>　　高層結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)反應十分復雜，因此結(jié)構(gòu)工程師應在理解結(jié)構(gòu)扭

15、轉(zhuǎn)破壞機理的基礎上，從控制結(jié)構(gòu)振動特性的角度出發(fā)，調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，以避免和減少扭轉(zhuǎn)效應，從而滿足建筑要求和相關結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定。同時采用基于性能的抗震概念來進行結(jié)構(gòu)抗扭設計，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下不發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。綜上所述，合理的結(jié)構(gòu)布置是保證結(jié)構(gòu)具備有效抗扭能力的決定性因素，并直接關系到建筑物抗震性能的優(yōu)劣，扭轉(zhuǎn)效應是空間的作用，在概念設計時應從結(jié)構(gòu)的整體出發(fā)，應綜合各種因素合理地布置結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件是結(jié)構(gòu)設計的關鍵所在。 </p>

16、<p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 王智恒.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)中的抗扭設計[J].城市建設.2010 </p><p>　　[2] 姚立華.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)中的抗扭設計[J].科技創(chuàng)新導報 2010 </p><p>　　[3] 占文峰，賈益綱.不規(guī)則多高層建筑抗震性能分析[J].江西科學 2007&