鋼筋混凝土結構扭轉設計方法及控制措施

宋 琨

(北京翰時建筑設計有限公司 北京 100052)

一、引言

隨著城市的大力發展，人口密度越來越大，為滿足人類生存等多方面的需求，城市建設中也出現了越來越多的高層及體型不規則建筑。歷次震害表明[1-3]，不規則的建筑結構，在地震中會出現較為明顯的扭轉效應，進而引起結構嚴重破壞甚至倒塌，造成難以估量的生命和財產損失。

二、建筑物扭轉效應的控制指標

(一)位移比

(1)

式中，α—結構的位移比；L1、L2分別為建筑最小位移和最大位移。

我國《抗規》和《高規》中對位移比的計算是基于強制剛性樓板假定，并考慮偶然偏心的條件下計算得到的。對于偶然偏心的大小，《高規》給出了公式：ei=±0.05Li

(2)

式中，ei—第i層質心偏移值(m)，各樓層質心偏移方向相同；

Li—第i層垂直于地震作用方向的建筑物總長度(m)。

同時，我國《高規》也對建筑位移比提出了限值，A級高度建筑的位移比不宜超過1.2，不應超過1.5；B級高度建筑以及高度超過A級的混合結構和復雜高層建筑，其位移比不宜大于1.2，且不應大于1.5。但當樓層的最大水平位移不大于其位移角最大限值的40%時，其位移比可適當放松至1.6。

由此可以看出，建筑物的扭轉程度，與結構類型和建筑高度有密切關系，當結構抗側剛度很大，地震作用下水平位移相對很小時，結構抗震性能也會滿足要求，此時可適當放寬對位移比的要求。

(二)周期比

徐培福[4]等在僅考慮一階側向陣型與一階扭轉陣型的相互作用下，并通過TBSAP有限元的驗證，得出在周期比Tt/Tl小于1.3時，可忽略高階陣型的影響，并得出結構頂部相對扭轉響應θr/u的近似公式：

(3)

(4)

為清楚起見，可將式(3)表示如下：

(5)

我國《高規》在前人研究的基礎上，給出了結構周期比的限值，對A級高度的建筑，結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期Tl之比不應大于0.9；對B級高度以及超過A級的混合結構和復雜結構，周期比不應大于0.85。由此可以看出，通過對結構周期比的控制，可以使結構的扭轉剛度不致過小，以此來限制結構的扭轉效應。

三、建筑物扭轉效應的控制措施

(一)概念設計

保證結構的安全性和可靠度，是結構設計的最主要任務。目前我國所采用的抗震設防烈度，是在以往地震經驗的基礎上，結合我國現階段的基本國情制定的，然而在某些地區，依然有可能發生超過當地設防烈度的強烈地震，比如2008年的汶川地震，汶川等地按6度或7度進行抗震設計，而實際地震烈度高達8-11度[6]。按我國規范進行時程分析時，也只是選取幾條實際地震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，這樣的模擬結果依然是通過小樣本來估計地震效應，所以以目前對地震的認識水平，要準確預測結構物在未來地震作用下的抗震能力，尚難以做到。因此，應著眼于抗震概念設計，再輔以必要的計算和構造措施，從根本上消滅結構抗震的薄弱環節，才能設計出具有良好抗震性能的建筑。結構概念設計是對結構設計提出的設計思想和原則，對結構的抗震性能化設計起到了關鍵作用[5]。

根據我國《抗規》的要求，在選擇建筑場地時，應根據工程需要和地震活動情況，對抗震地段做出綜合評價，對不利地段應考慮避讓，無法避讓時，應采取有力措施；對危險地段，嚴禁建造甲乙類建筑，不應建造丙類建筑。同時，要選擇合理的建筑形體和布置，平立面要簡單對稱，減少結構偏心，以此來限值結構的扭轉效應，并使周期比更易滿足規范要求。

四、總結

本文通過歷次震害的經驗，指出建筑物在地震中遭受破壞與結構扭轉效應之間的關系，并通過規范提出對結構位移比和周期比進行控制，使結構不致產生過大的扭轉，并提出對建筑物扭轉效應的控制措施，結合規范要求，從抗震概念設計的角度，指出建筑物在抗震設計時應采取的措施。