对高层建筑结构中抗扭设计的分析

2022-09-10

1 扭转问题的产生

人们物质文化生活的丰富, 随着也对建筑功能和形式的要求越来越多样。建筑师为了迎合人们的这种需求, 越来越倾向于设计出平面和立面都很复杂的建筑, 在高层住宅建筑中, 因考虑到多用户型, 采光通风及住户私密性的要求, 大量采用风车形、井字形联体结构的平面布置, 甚至将这两种结构布置组合在一起形成哑铃状的平面结构布置方案。

风车形这类建筑平面有较大的外伸长度, 剪力墙主要集中在中间的楼、电梯间部位, 各个单元之间连接部分开洞较多, 联系较薄弱;哑铃状这类建筑平面通常长宽比较大, 结构的质量集中在两端且由于偶然偏心很大, 对结构的受力很不利。

2 影响扭转的主要因素及工程上抗扭手段

2.1 平面刚度、质量的分布

地震本身是多方向的, 存在扭转分量, 而目前尚未见实测资料, 也无法计算。如果结构本身刚度不均匀, 将加剧扭转作用。扭转是导致结构破坏的重要原因, 由于无法预见和计算, 因此减少结构的质量不均匀和刚度不均匀, 加强结构的抗扭刚度和抗扭能力成为减少震害的重要措施, 是十分重要的设计概念。

不考虑耦连反应的基于静力概念的近似计算公式如下:

、r分别为扭转角和结构的回转半径, ·r表示由于扭转产生的离质心距离为回转半径处的位移, u为质心位移;K1、Kt分别为凝聚后的结构项部的侧向刚度与扭转刚度;m1、mt分别为凝聚后的结构顶部的质量与转动惯量;F为顶部侧向力;Mt为顶部扭转。

由式l可知, 对结构的扭转效应需从两方面加以限制。

(1) 限制结构平面不规则性, 避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应, 关键就是控制好设计偏心矩e。

高层建筑结构在地震作用下的扭转振动是难以避免的。这是由于地面的扭转运动 (地面运动的相位差) 将引发建筑物的扭转振动, 建筑物质量分布不均匀变化、结构刚度计算的局限性、设计假定的正确程度以及抗扭构件的非对称性破坏等也将引起扭振效应。诸多国家的抗震设计规范都规定, 对于均匀对称结构, 给与设计偶然偏心距e0, e0= (0.05~0.1) L, L垂直于地震作用方向的建筑物的边长;对于不对称结构, 按静力方法计算时, 将计算的偏心距e1乘以1.10~1.17的增大系数并加上偶然偏心距e0, 即设计偏心距e= (1.10~1.17) e1+ (0.0 5~0.1) L。故对平面长度较长的结构在整体结构十分不合理的情况下首要考虑的是设缝, 以降低L进而减少设计偏心矩e, 从而有效的降低扭转作用。

(2) 限制结构的抗扭刚度不能太弱, 关键是限制结构扭转为主的第一自振周期T+与平动为主的第一自振周期T1之比。

周期比Tt/Tt与结构的抗扭刚度Kt、抗侧刚度K1.转动惯量mt以及质量m1有如下关系:

结构的抗扭刚度Kt与X向抗侧刚度Klx.Y向抗侧刚度K1Y及构件抗扭刚度Kt1有如下关系式:

刚心坐标公式:

由公式2、3、4、5和6可以看出, 如注意结构的合理布置, 提高抗扭刚度Kt与抗侧刚度K1的比值, 就可减少Tt/T1的值, 从而减轻扭转振型效应的影响。影响刚度是否均匀的主要因素是剪力墙的布置, 剪力墙应按“均匀、分散、对称、周边”的原则布置, 集中布置在结构平面的一端会导致结构的质心和刚心距离较大致使偏心矩e增大, 从而使结构在地震作用下扭转作用增大。对称布置剪力墙、井字筒, 周边布置剪力墙, 或周边布置刚度很大的框筒, 都是增加结构抗扭刚度的重要措施, 有利于抵抗扭转。

为了减少地震作用下的扭转, 还应注意平面上质量分布, 质量偏心会引起扭转, 质量集中在周边也会加大扭转, 因为其转动惯量m与质量m的比值较大, 将会使周期比Tt/T1增大, 这对于连体结构 (如风车形、哑铃形的结构) 尤为注意。

2.2 竖向刚度、质量的分布

结构宜做成上下等宽或由下向上逐渐减小的体型, 更重要的是结构的抗侧刚度应当沿高度均匀, 或沿高度逐渐减小。竖向刚度是否均匀, 亦主要涉及剪力墙的布置。框支剪力墙是典型的沿高度刚度突变的结构, 它的主要危险在于框支层的变形大, 框支层总是表现为薄弱层。

由于建筑物立面有较大的收进或顶部有小面积突出的小房间造成建筑立面体型沿高度变化, 或者为了加大建筑空间而顶部减少剪力墙等, 都可能使结构顶部少数层刚度突然变小, 从而加剧地震作用下的鞭梢效应, 使顶部的侧向甩动变形过大。

3 工程上抗扭手段

由上面分析, 结合工程实际, 可得工程上常用的抗扭手段如下。

(1) 抗侧力构件应按“均匀、分散、对称、周边”的原则, 使平面刚度分布均匀, 并使平面刚心和质心尽可能地接近。 (2) 加大周边构件的截面, 加大内筒与周边剪力墙主要连接构件的截面, 能增强结构整体性, 从而有效增加抗侧刚度, 减小层问侧向位移。 (3) 平面凹凸不规则处加拉梁, 有条件的应增设拉接楼板, 增强结构的整体抗扭能力。

在结构抗扭设计布置及调整过程中, 有几点值得注意。

(1) 借助材料力学抗扭刚度概念, 高层建筑结构从整体分析角度出发, 剪力墙按“均匀、分散、对称、周边”的原则布置外还应符合以下要求, 在抗扭刚度角度上, 剪力墙分量 (主要是长度) 丛外到里逐步减少, 从抗侧移刚度角度上, 剪力墙分量直线上均匀分布。

(2) 由于转换层上下的剪切刚度比和建筑专业的限制, 在无法增加落地剪力墙情况下, 可在转换层以上的较长的墙肢中间开洞, 这样可在扭转刚度降低不多情况下有效地降低转换层上层的剪切刚度, 从而有效地降低剪切刚度比。