高层建筑结构的抗扭设计及工程控制方法研究.doc

高层建筑结构的抗扭设计及工程控制方法摘要：简要介绍了高层建筑产生扭转的原因，并从工程计算和概念设计的角度提出控制高层建筑扭转耦联反应的措施。关键词：高层建筑；概念设计；扭转耦联前言 随着经济和社会的发展，高层建筑被大量的兴建，其平立面布置日趋复杂。在地震的作用下，高层建筑就不可避免的会产生扭转耦联反应。引起高层建筑扭转的主要因素有两方面：一方面是地震动存在扭转分量，地震波各点的波速、周期和相位均不相同，使地震动不仅产生平动分量，而且产生扭转分量，这种分量迫使结构产生扭转振动；另一方面是建筑结构本身的原因。当结构的质量中心（质心）与刚度中心（刚心）有偏心时，作用在质心上的惯性力就会对刚心产生扭转力矩，使结构产生扭转耦联运动；此外，即使结构理论计算的质心与刚心重合，但实际上由于计算质量和刚度与实际有偏差，加上非结构构件的影响，其偶然偏心是不可避免的。因此，即使地震地面运动只作平动，高层建筑也会产生平扭耦联振动。 历次震害调查表明，在某种情况下扭转反应可能是造成建筑结构破坏的主要因素1。1995年日本阪神地震中，钢筋混凝土结构几类典型破坏形式中就有质量、刚度偏心引起的。因此开展高层建筑的抗扭设计及工程控制方法的研究具有重要意义。 本文在建筑规范及前人研究的基础上，并结合作者多年的设计与施工经验，从结构概念设计和工程计算分析方法的角度提出控制高层建筑扭转耦联反应的几种措施。1 规范规定 关于高层建筑在地震作用下的扭转，建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）第4.4.1条对结构平面的扭转不规则提出了要求2。高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2002）的第4.3.5条规定，在结构平面布置时应尽量减少扭转的影响，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A、B级高度高层建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍，且A级高度高层建筑不应大于该楼层平均值的1.5倍，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑，不应大于该层平均值的1.4倍。以结构扭转为主的第1周期T1与平动为主的第1周期T2之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.853。本条规定的两项指标主要是限制结构的扭转，控制楼层位移比，是为了限制结构平面的不规则性，避免过大的偏心引起结构较大扭转效应，控制周期之比则是为了保证结构的抗扭刚度。结构的抗扭指标控制的是结构侧向刚度与抗扭刚度之间的一种相对关系，绝非绝对大小，目的是使抗侧力构件的布置更有效合理。一旦出现不满足要求的情况，一般只能是通过调整平面布置来改善这一状况，而这种改变是整体性的，局部的小调整往往收效甚微。由于高规提出的抗扭指标较为严格，而建筑和设备等其它专业的使用功能需要，又极大地制约了结构专业的平面布置，因此设计人员在执行上述规定时都遇到很大的困难，不少工程设计的焦点最终都归结为调整结构的扭转效应上。2 工程计算分析方法2.1 抗扭构件的布置 由材料力学可知，抗扭构件离质心越远，其抗扭刚度越大。所以在布置抗扭构件时，尽量加大周边构件截面，增大抗扭刚度；在设计结构方案时，应尽量使结构质心刚心偏心率减小，以减小扭转效应。在工程实践中，以剪力墙为例，可首先考虑将四周角部墙支加长，尽量形成L、Z、T等形状，如墙肢长度受限，则可将平面四周的梁加高，如窗台下梁加高至窗台面。如质心刚心偏差太大，以上措施仍不能满足抗扭要求，这时在建筑允许的条件下加厚离质心较远的剪力墙厚度，往往能使质心刚心偏心率得到明显改善。一字形剪力墙因其平面外刚度小，容易形成局部薄弱层，尤其是在结构边角部位。作者在多次试算过程中发现在结构边角部位布置一字形墙体，往往因其端部位移太大，导致最大位移和平均层间位移的比值超限。 在工程中，由于质量位置和地震动的空间变化的不确定性。即使是对称的规则结构，实际上也是很难做到结构的质心与刚心的完全重合，存在偶然偏心，因此，除侧向抗力和刚度以外，结构必须具有足够的扭转抗力和刚度，以限制在不同结构构件中产生不均匀应力的扭转振动的发展。为此，主要的结构抗震受力构件应靠近结构周边进行布置，以有效提高结构的抗扭转能力和刚度。 工程中常用的抗侧力构件有：剪力墙、侧向支撑等。适当的抗侧力构件的布置不仅能调整结构的刚度分布，使其尽量均匀、对称，限制在结构构件中可能产生的不均匀应力引起的扭转振动的发展，同时，还可以作为抗震设计的第一道防线，吸收主要的地震能量，避免主要结构构件的破坏。2.2 地基基础的选择 基础与上部结构的连接设计与施工方法应保证整个建筑均匀承受地震动的作用。为此基础应具有良好的整体性。对于由离散的剪力墙组成的结构，考虑到在宽度和长度方向上刚度有差异，应选用由包括基础地板和盖板在内组成的刚性箱式或筏板式基础，对于具有独立基础构件（基墩或桩）的建筑，应沿两个主方向在构件之间采用基础底板或基础系梁。 基础应有足够的埋深，有利于上部结构在地震动下的整体稳定性，防止倾覆和滑移，并能减少建筑物的整体倾斜。但目前对高层建筑的基础埋深，国际上的大多数规范还没有明确的规定。关于这一点还需作进一步研究。2.3 其他一些建议 针对平面形状不规则问题，在平面凹角部位，尽可能设置混凝土连梁或用楼板连通，以加强构件的构造措施提高承载能力，同时达到增加耗能结构的目的，对处于阴角的应力集中处，在构造上对该部位构件采取加强措施，使之与承载能力相协调。考虑到中间部位有凹进、楼板多处开洞以及楼板刚度变化较大，因此充分考虑楼板平面刚度对水平力分配的影响，对该部位楼板按弹性板理论进行整体分析，在设计中加大楼板刚度薄弱部位的楼板厚度，并采用双面双向配筋方式，以充分适应地震作用时的水平力的传递。在结构设计时，加强房屋周边的刚度，在建筑物周边均匀增设抗震墙，以提高抗扭转能力。有关的研究资料表明纵横向刚度接近时，扭转影响很小，扭转周期与平动周期之比满足设计要求。 建筑立面收进必然带来结构刚度的突变，造成竖向结构的刚度不连续性，单边收进更使层质心和刚心在竖向不连续。为了满足刚度变化的要求，设计中可通过对剪力墙及支撑和尺寸的调整，减少立面上下刚度的差异，同时加强突变层的上下两层，降低刚度突变程度。 另外通过在结构中合适位置布设阻尼器或其他一些耗能减震装置，也是目前解决高层建筑扭转耦联反应不利影响的一种积极主动的方法，并取得了很好的效果4。3 概念设计角度 所谓概念设计，是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程。人们从大量震害经验中总结发现，概念设计往往比计算设计更为重要。这主要是由于地震的随机性和复杂性，以及计算模型与实际情况的差异，使得地震时造成建筑破坏程度很难准确预测。因此要进行精确的抗震计算是困难的，结构的抗震性能在更大程度上取决于良好的概念设计。 根据我国现行规范，概念设计应从以下几个方面把握：注意场地选择和地基基础设计；选择合理的抗震结构体系，尽量规则布置建筑结构，合理利用结构延性，同时重视非结构因素。选择建筑场地时，宜选择有利地段，应避开不利场地。在选择抗震结构体系时，对常用的抗震结构体系，如框剪结构，筒体结构，巨型结构体系等，应注意使其具有明确的计算简图与合理的地震作用传递路径，因此应尽量使结构体形简单，平立面布置应尽量规则、对称，质量和刚度变化宜均匀，具有良好的整体性。最好能设置多道抗震防线，如增加结构超静定次数，设置人工塑性铰，利用框架的填充墙、耗能装置等。同时，宜使结构体系具有合理的刚度和承载能力分布，避免大的应力集中和塑性变形集中。4 主要结论 高层建筑结构的安全事关重大，随建筑设计及使用功能的日益多样化，不规则高层建筑一定会不断出现。希望本文所总结的主要措施能对减少高层建筑扭转效应起到抛砖引玉的作用。除了上述概念设计和数值计算外，构造上适当提高结构的延性标准，使之与主体结构变形相协调。为确保结构遭遇大震时的延性，对刚度突变处的楼板、剪力墙作适当的加强，对薄弱部位构件的设计采取较严要求的延性构造抗震措施，以适应结构的要求。由于引起扭转的因素是多方面的，因此对控制高层建筑扭转效应的措施，还需要在进一步的研究中加以充实和完善。参考文献1 李宏男. 结构多维抗震理论与设计方法M. 北京: 科学出版