高層建筑的扭轉(zhuǎn)破壞機理與抗扭措施

彭道強，賴龍威，郭鐘群，柯勇

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000;

2.江西五方建筑設(shè)計有限公司，江西贛州 341000)

高層建筑的扭轉(zhuǎn)破壞機理與抗扭措施

彭道強1，賴龍威2，郭鐘群1，柯勇1

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000;

2.江西五方建筑設(shè)計有限公司，江西贛州 341000)

國內(nèi)外歷次震害表明，建筑物因扭轉(zhuǎn)破壞占地震破壞的比例非常大，隨著高層建筑結(jié)構(gòu)平面，立面的多樣化和復雜化，不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)破壞問題日益凸顯。為了減輕地震時的扭轉(zhuǎn)破壞，本文運用satwe軟件，分別采用四種方案對周邊構(gòu)件進行剛度調(diào)整，得出加大離剛心最遠處構(gòu)件的剛度，最能有效地減輕扭轉(zhuǎn)效應，并根據(jù)扭轉(zhuǎn)機理提出了一系列的抗扭措施為工程設(shè)計提供依據(jù)。

高層建筑;扭轉(zhuǎn)效應;抗扭剛度;地震作用;抗扭措施

1 引言

隨著現(xiàn)代物質(zhì)生活的迅猛發(fā)展，人類對建筑功能和形式要求越來越多樣化，隨之產(chǎn)生了越來越多復雜體型的建筑，其中以平面不規(guī)則布置的建筑為代表［1］。然而，據(jù)專家研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外歷次大地震的震害表明，地震作用對不規(guī)則的建筑極易產(chǎn)生破壞，顯現(xiàn)出明顯的扭轉(zhuǎn)破壞特征，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)破壞在所有的地震破壞形式中占據(jù)了相當大的一個比重［2］。如1967年7月委內(nèi)瑞拉加拉加斯地震有兩棟14層框架結(jié)構(gòu)公寓(CYPRESSGARDEN和COVENTGARDEN)，平面為Ⅱ形都是角柱破壞說明由于扭轉(zhuǎn)使層間位移增大;1972年尼加拉瓜地震中，兩幢結(jié)構(gòu)分布不同的高層建筑受到損害程度是完全不同的，其中采用具有抗扭結(jié)構(gòu)的對稱外框內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的1座l8層大廈只受到輕微破壞，而另外1座l5層中央銀行大廈因樓梯，電梯間和砌體填充墻集中布置在平面一端而嚴重破壞［3］;2008年5月12日汶川地震因不規(guī)則平面因扭轉(zhuǎn)而破壞的很多。此類建筑的延性較差，在震害時因扭轉(zhuǎn)效應使建筑迅速脆性破壞，嚴重危害人們的生命財產(chǎn)安全;因此在高層建筑抗震設(shè)計中，做好結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計是十分重要和必要的。

2 扭轉(zhuǎn)破壞機理

根據(jù)圖1由材料力學理論可知，橫截面為圓形的直桿受扭時的物理關(guān)系切應力

圖1 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)示意圖

3 引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)因素

3.1 外來因素干擾

地震作用的影響，客觀的說，地震在地面的運動存在6個分量，即X﹑Y﹑Z三個水平分量和繞X﹑Y﹑Z軸三個扭轉(zhuǎn)分量，并且繞Z軸的扭轉(zhuǎn)分量直接對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用。由于扭轉(zhuǎn)分量很難準確監(jiān)測和計算，我國結(jié)構(gòu)設(shè)計除8﹑9度大跨度和大懸臂結(jié)構(gòu)和9度時高層結(jié)構(gòu)需考慮Z向地震作用，其他情形皆不考慮。未考慮地震作用扭轉(zhuǎn)分量的工程，必然對結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)本身平面剛度﹑質(zhì)量的分布的影響

建筑質(zhì)心與剛心的不重合產(chǎn)生的偏心距:剛心是水平力通過某個點而不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應的點［4］。在剛性樓板假定的前提下，對于單層建筑結(jié)構(gòu)剛心是不變的，然而當結(jié)構(gòu)進入塑形狀態(tài)時，對于多層建筑結(jié)構(gòu)的剛心，由于每個構(gòu)件的剛度都是變化的，所以每個樓層的剛度中心也是變化的。在地震作用時，把地震力簡化為作用在質(zhì)心處的集中力F，當建筑物剛心與質(zhì)心不重合時，那么剛心與作用在質(zhì)心處的地震力產(chǎn)生偏心距e，在水平地震作用下產(chǎn)生扭矩T =F·e，由扭矩公式可知，在地震力不變的情況下，扭矩隨著偏心距的增大而增大;由于建筑材料自身特性，施工以及使用過程的影響，根據(jù)JGJ3－2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［5］(以下簡稱高規(guī))第3.3.3條規(guī)定計算單向水平地震作用時，還應考慮ei=±0.05li(l為第i層垂直于地震作用方向的建筑物總長度)的偶然偏心影響引起的附加偏心距的不利影響。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)與平移振動的藕聯(lián)反應產(chǎn)生動力放大作用

其中Tt、Tl分別為扭轉(zhuǎn)第一周期和平動第一周期，kl、mt分別為結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和抗扭剛度，ml、mt分別為該結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量。由(3)式可知提高構(gòu)件的抗扭剛度可減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，把抗扭剛度大的構(gòu)件布置在結(jié)構(gòu)適當?shù)奈恢茫蛟趧偠雀挥鄷r減少抗側(cè)剛度。又根據(jù)《高規(guī)》，水平地震作用效應(內(nèi)力和位移)的計算公式為

式中SEk為水平地震作用標準值效應，Sj為第j振型水平地震作用標準值效應(通常可只取前2～3個振型)，若將SEk視為扭轉(zhuǎn)角效應，則從(4)式可得知扭轉(zhuǎn)角效應與扭轉(zhuǎn)周期所對應的振型有關(guān)。特別是對于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)而言，由于結(jié)構(gòu)平扭藕聯(lián)的存在，在任何一個平動周期中都伴隨著扭轉(zhuǎn)效應。當平動為主的第一振型周期遠大于扭轉(zhuǎn)為主的第一振型周期，則引起樓層扭轉(zhuǎn)的主要因素可能平動為主的第一振型周期。所以，對于平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，平動第一周期不宜過長。

4 工程項目實例概況

江西贛州某高層建筑是一集商業(yè)，住宅為一體的綜合性大樓，建筑層數(shù)地下1層，地上32層，其中底部裙房二層，結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)，總建筑面積約19200m2，建筑高度99.9m，地下一層為車庫層高5.1m，1至2層為商業(yè)用房層高分別為4.1m和4.5m，其余為住宅層高均3m(第32層為3.5m)。本工程使用年限50年，建筑物重要性類別為丙類，安全等級為二級，地震設(shè)防烈度為6度標準設(shè)防，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，建筑場地類別Ⅱ類，框架柱和剪力墻抗震等級為三級，地面粗糙類別為B類。

圖4 方案四數(shù)值

由圖5可知該工程特點是標準層平面布置為Y形，從振型圖圖2可以看出，模型未調(diào)整前該Y形圖兩側(cè)翼緣扭轉(zhuǎn)效應非常劇烈，本人從概念設(shè)計和計算設(shè)計方面入手，運用扭轉(zhuǎn)原理來抵抗不規(guī)則建筑的扭轉(zhuǎn)破壞。分別用下列四種方案對模型進行調(diào)整，方案一用500×500mm的柱子代替①、②、③、④處的剪力墻且刪除⑤處的連梁;方案二同方案一且⑤處連梁不刪除;方案三在①、②、③、④處布厚度為200mm的剪力墻;方案四建筑樓層前5層的剪力墻為250mm其余樓層的剪力墻為200mm。現(xiàn)分別把每個方案計算所得的數(shù)據(jù)列于下表且四個方案分別列前6個振型的數(shù)據(jù)。

表1 方案一satwe結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

表2 方案二satwe結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

圖5 標準平面圖

表3 方案三satwe結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

表4 方案四satwe結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

5 工程抗扭措施

(1)建筑設(shè)計時盡量使平面和立面不要過多超過不規(guī)則界限，盡量滿足連續(xù)的傳力路徑;通過對結(jié)構(gòu)平面剛度的調(diào)整，盡可能使建筑的質(zhì)量中心和剛度中心重合。

(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件沿高度布置應均勻﹑連續(xù)，使結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力上下相同，或下大上小，逐漸減小避免其突變﹑當結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置滿足這一要求時地震力的傳遞明確且直接，有助于消除局部應力集中和過早屈服的薄弱部位，否則建筑物根部易壓斷倒塌。

(3)在建筑允許的條件下盡量加大建筑物最外圍構(gòu)件的截面剛度，或使用剪力墻﹑鋼管混凝土柱﹑或在柱中加鋼骨來代替普通的混凝土柱來限制剪應力從而抵抗剪力;適當加大最外圍混凝土構(gòu)件鋼筋的配筋率來提高構(gòu)件的延性，從而達到耗能的目的。

(4)利用連接梁降低不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，加強其整體效果，控制立面的單側(cè)內(nèi)收，裙房宜采用較柔結(jié)構(gòu)使其減小樓層剛度差異。

(5)運用結(jié)構(gòu)概念注重“抗”與“放”，“抗”即加大遠離剛度中心構(gòu)件的剛度，若允許可加大剪力墻的長度﹑寬度;“放”即在結(jié)構(gòu)剛度富余時減小核心筒周圍或剛度中心剪力墻的長度或厚度或?qū)ζ溟_洞(可加大第一平動周期)從而使該處產(chǎn)生的水平地震剪力減小。

(6)凹口深度超限的高層建筑，屋面層的凹口位置應設(shè)拉梁或拉板厚度宜加厚20mm以上，并采用雙層雙向配筋，建筑高度超過100m時，宜每層設(shè)置拉梁或拉板［8］，對于薄弱環(huán)節(jié)要集中使用材料，樓板和梁得的鋼筋應加重﹑焊接﹑拉通，以增強其連續(xù)性，并加強頸縮范圍及其附近的柱的縱筋和箍筋［3］。

6 結(jié)語

綜上所述，扭轉(zhuǎn)破壞是建筑遭受震害的主要因素之一，位移比﹑周期比﹑偏心率﹑是控制扭轉(zhuǎn)的主要因素。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計者在對高層建筑進行設(shè)計時，一定要充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題，嚴格限制構(gòu)件的剪應力大小加強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度;從概念設(shè)計入手，充分考慮各方面的影響因素，運用上述抗扭措施合理布置各個構(gòu)件，對薄弱部位構(gòu)件的設(shè)計采取較嚴要求的延性構(gòu)造抗震措施，嚴格控制工程結(jié)構(gòu)的位移比﹑周期比﹑偏心率。希望本文所總結(jié)的主要措施能對減少不規(guī)則結(jié)構(gòu)帶來的扭轉(zhuǎn)不利影響，起到拋磚引玉的作用。

［1］徐培福，傅學怡.復雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005:14－15.

［2］徐培福，黃吉鋒，韋承基.高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)振動效應［J］.土木工程學報，2006，14(7):4－5.

［3］魏璉，王森，韋承基.水平地震作用下不對稱不規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計方法研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2005，16(8):35－36.

［4］林同炎，思多臺斯伯利S D.結(jié)構(gòu)概念和體系［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985:27－28.

［5］JGJ3－2010.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010:35－36.

［6］徐培福，黃吉鋒，韋承基.高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應控制［C］//第十九屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學術(shù)會議論文.吉林長春:中國建筑學會建筑結(jié)構(gòu)分會，2006:18－19.

［7］蔡健，潘東輝，黃炎生.高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動效應控制研究［J］.工程力學，2007，23(7):118－119.

［8］劉暢.地震作用下偏心結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應研究［D］.長沙:湖南大學，2006.

Torsion Failure Mechanism and Anti－torque Measures in High－rise Buildings

PENG Dao－qiang1，LAI Long－wei2，GUO Zhong－qun1，KE Yong1

(1.Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China;
2.Wufang Architectural Design of Jiangxi Co.，Ltd，Ganzhou 341000，Jiangxi，China)

The damage of earthquakes at home and abroad shows that the buildings twisted and damaged by earthquake occupy prodigious the proportion of earthquake damage.As the diversification and complication of plane and elevation in multistory building structures，the problem of twist damage on irregular structure is growing.In order to reduce the twist damage of earthquake，four schemes are adopted respectively to adjust stiffness of surrounding structure with SATWE software.A conclusion is made that to enhance the stiffness of the structure which is the farthest from the center of stiffness could effectively reduce the torsion effect.The paper proposes a series of anti－torque measures according to the torsion mechanism，which provides basis for engineering design.

High－rise building;torsion effect;torsional rigidity;earthquake action;anti－torque measurement

TU973.2+56

A

1009－3842(2011)06－0072－05

2011－06－14

彭道強(1985－)，男，江西安義人，碩士，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。E－mail:daoqiangpeng@163.com