高层建筑结构抗扭设计的一些概念 发布时间:2015-11-09 上传者:cotabc

   《高规》4.3.5条对的高层结构抗扭设计的要求:结构平面布置应减少扭转的影响。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级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,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本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍,不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1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本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。


   4.3.5 的条文说明:本条主要是限制结构的扭转效应。国内、外历次大地震震害表明,平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构,在地震中受到严重的破坏。国内一些振动台模型试验结果也表明,扭转效应会导致结构的严重破坏。对结构的扭转效应需从两个方面加以限制。

1) 限制结构平面布置的不规则性,避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。本条对 A 级高度高层建筑、 B 级高度高层建筑、混合结构及本规程第 10 章所指的复杂高层建筑,分别规定了扭转变形的下限和上限,并规定扭转变形的计算应考虑偶然偏心的影响(详见本规程第 3.3.3 条)。 B 级高度高层建筑、混合结构及本规程第 10 章所指的复杂高层建筑的上限值 1.4 比现行国家标准《建筑抗震设计规范》 GB 50011 的规定更加严格,但与国外有关标准 ( 如美国规范 IBC、UBC ,欧洲规范 Eurocode-8) 的规定相同。

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Tt与平动为主的第一自振周期T1之比。当两者接近时,由于振动耦联的影响,结构的扭转效应明显增大。若周期比 Tt/T1小于 0.5 ,则相对扭转振动效应如θr/u一般较小(θ、r分别为扭转角和结构的回转半径,θr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),即使结构的刚度偏心很大,偏心距e达到 0.7r ,其相对扭转变形θr/u值亦仅为 0.2 。而当周期比Tt/T1大于 0.85 以后,相对扭振效应θ/u值急剧增加。即使刚度偏心很小,偏心距e仅为 0.1r ,当周期比 Tt/T1等于 0.85 时,相对扭转变形θr/u值可达0.25 ;当周期比Tt/T1接近 1 时,相对扭转变形θr/u值可达 0.5 。由此可见,抗震设计中应采取措施减小周期比Tt/T1值,使结构具有必要的抗扭刚度。如周期比Tt/T1不满足本条规定的上限值时,应调整抗侧力结构的布置,增大结构的抗扭刚度。

   扭转耦联振动的主方向,可通过计算振型方向因子来判断。在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中,当转动方向因子大于 0.5 时,则该振型可认为是扭转为主的振型。

 


HiStruct从以下几个方面,对高层建筑结构的抗扭设计中的一些概念进行分析:

1. 为什么扭转比平动对于高层结构而言危害更大

   从构件受力的角度看,假如一个规则的结构,所有的柱子尺寸相同,那么在相同的水平力作用下,经过刚心的外力产生平动,所有的竖向构件可以通过楼板的有效联系共同作用,因此柱子分担的剪力相同;而不经过刚心的外力在平动的基础上附加了一个扭矩,造成一部分的柱子的剪力与平动产生的剪力相叠加,尤其是角部柱子总受力更大,因此无法有效的发挥柱子的均衡作用,进而造成部分柱子的薄弱。

   从构件的承载力来看,扭转所产生的扭矩,以剪应力的形式存在,一般构件的破坏准则通常是由剪切决定的。另一方面,剪切也意味着脆性破坏。

2. 为什么采用位移比和周期比来控制高层结构的扭转效应

   从《高规》条文说明的解释来看,位移比即是用来限制结构平面布置的不规则性,避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应;而周期比是用来限制结构的抗扭刚度不能太弱,从而用来限制振动耦联,因为振动耦联会使结构的扭转效应明显增大。位移比和周期比缺一不可,对于平面规则的结构,可能位移比很小,但是周期比很大,同样对于平面不规则,但是抗扭刚度很大的结构,可能位移比很大,但是周期比却很小。HiStruct在此提醒各位使用etabs等程序做高层结构分析的时候,注意这些程序的位移计算结果均是采用振形分解组合之后的绝对值,因此,对于楼层最小位移的计算可能不准确,因为尤其是结构的底部,可能出现最小位移为负数的情况。

3. 什么是第一平动周期和第一扭转周期

   举个例子,这是某高层计算的前几个振型数据:

   振型号 周期 转角平动系数 (X Y)扭转系数

      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

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