浅谈建筑结构设计中的扭转问题与分析

1、浅谈建筑结构设计中的扭转问题与分析    关键词:扭转;抗扭设计;位移比;周期比大量震害表明,平面不对称或不规则的结构极易发生扭转脆性破坏,甚至导致结构整体倒塌事故。为了减小结构扭转变形和提高其抗扭性能,建筑抗震设计规范和高层建筑混凝土结构技术规程中都对结构扭转问题从周期比和位移比两方面做出了相关规定。 一、抗震规范和高规的规定 1、位移比要求 结构是否规则、对称,平面中刚度分布是否均匀是结构本身的性能,可以用结构的刚心与质心的相对位置表示,二者相距较远的结构在地震作用下扭转可能较大。由于刚心与质心位置都无法直接定量计算,抗震规范和高规都采用了校核结构最

2、大水平位移与平均水平位移比值的方法,即位移比要求。在楼板平面无限刚性的假定下,由结构某一条边缘的最大和最小位移变形平均后得到平均位移。抗震规范和高规都规定了位移比超过1.2为不规则结构,超过1.5为严重不规则结构。高规还明确要求在增加附加偏心距(5%L,L为边长)的情况下计算校核位移比。虽然这个规定只是宏观的控制,但是它比老规程有所进步,便于设计操作,在许多情况下这种控制是必要的,主要校核最大层间位移所在层即可。 2、周期比要求 地震作用对结构的损害与扭转反应的大小有直接关系,扭转反应的大小又与地震的频率、地震扭转振动分量以及结构自身性能等有关:抗扭刚度较小的结构,其扭转周期必然较长,甚至长于

3、结构平移周期。地震时,这样的结构扭转反应一般会较大,不利于抗震。因此高规要求将结构扭转周期与平移周期的比值进行限制,即周期比要求。这也是概念设计中加强抗扭刚度的基本要求。 二、结构扭转破坏机理及扭转变形分析 1、结构扭转破坏机理 根据材料力学原理,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。 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合内力进行配筋,中震和大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

4、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,造成竖向墙柱构件不足以抵抗水平剪力而导致脆性剪切破坏,甚至整个结构倒塌的严重后果。因此,结构抗震设汁应考虑采取有效措施严格控制结构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性能。 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,显然: davg=(dmax dmin)/2(1)式中:davg为按刚性楼盖计算时该楼层水平位移或层间位移的平均值;dmax,dmin分别为按刚性楼盖计算时同一侧楼层角点竖向构件水平位移或层间位移的最大和最小值。 令位移比x=dmax/davg 代入式(1),得: dmax/

5、dmin=x/(2-x)(2) 三、产生结构扭转效应的因素 1、地震波扭转分量 实际地震波存在6个分量.即除X,Y,Z3个水平分量外,还有绕X,Y,Z轴的3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确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考虑Z向竖向地震作用,而未考虑实际存在的地震波扭转分量的作用,这必然对结构安全造成一定的隐患,部分学者甚至认为地震波扭转分量的作用是造成结构破坏最重要的因素。 2、质心与刚心不重台产生的偏心距 刚心的概念最早由著名结构专家林同炎提出,认为在假设楼板为剐性的

6、前提下,对于单层建筑结构,水平力通过某点不产生扭转效应,此点就称为刚心;而多层建筑结构的刚心一般为水平荷载和刚度分布的函数,即具有不确定性。当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。 地震作用时,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正好通过刚心,这时将不产生扭距;而当它们不重合时,就存在偏心距e。这时在水平地震作用下不仅产生地震力F和扭矩T,显然扭矩T随偏心距e增大而增大,扭转效应越明显。 3、平动一扭转耦联的放大效应 考虑和不考虑平动一扭转耦联反应的计算公式,分别如下: (3) (4) 根据式(3)可以绘制出qr/u与T

7、t/T1的关系曲线,可以看出耦联反应对结构扭转效应有明显的放大作用,设计中应考虑平动一扭转耦联反应.同时在周期比Tt/T1达到0.8后qr/u迅速增大。 四、建议 1、建议将位移比与位移最大值进行综合考虑,在扭转周期符合要求的前提下,对于刚度较大、位移较小的结构(层数不多、高度不大或剪力墙较多的住宅结构),或偏置裙房而裙房高度不大的结构,可以适当放宽位移比限制值,例如最大层间位移小于高规规定值的50%时,位移比限值可放松l0%。当最大层问位移的值更小时,放松的幅度还可加大,但放松小宜超过20%。        2、应当在小附加偏心距的状态下进行计算并检查结构位移比,检查刚心与质心是否相距过大。根据偏心情况调整剪力墙的布置,尽量做到结构平面刚度分布均匀,同时在此状态下检查周期比是否符合要求。 3、如果周期比不满足要求,首先宜尽可能增大抗扭刚度,如果侧向平移刚度确实较大,可以适当减小抗侧刚度。 4、如果在附加5%L的偏心距以后,位移比超过高规限制,宜分析造成超限的原因,并选择加大抗扭刚度、调整刚心位置或其他有效方法改进,切忌为满足要求而盲目凑数。提高抗扭刚度是概念设计中改进结构抗震性能的