高层建筑结构的扭转效应.pdf

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1、广东建材2011年第1期建筑设计与装饰高层建筑结构的扭转效应黄慧鹏(广东省轻纺建筑设计院)摘要：本文对高层建筑结构扭转破坏机理、引起结构扭转效应的因素、结构扭转地震响应分析方法、结构扭转动力特征参数的分析等问题进行了介绍。关键词：高层建筑结构：扭转效应1问题的提出为了满足各种不同的建筑功能要求，或者建设场地的限制，以及城市建筑形式美观的要求，平面和立面不规则的高层建筑也越来越多地丰富着城市建设的内容。然而，大量震害表明，平面或立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，因此高层结构的扭转问题

2、已受到各国研究人员的高度关注。2结构扭转破坏机理根据材料力学原理，当～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。当结构受到扭矩作用时，离刚心越远的竖向构件将承受越大的剪力。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

3、，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，结构抗震设计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。3引起结构扭转效应的因素3．1外因：地震波扭转分量实际地震波存在6个分量，即除X、Y、Z三个水平分量外，还有绕X、Y、Z轴的三个扭转分量，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测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

4、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。3．2内因：质心与刚心不重合产生的偏心距刚心是指在假设楼板为刚性的前提下，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

5、，这时将不产生扭矩：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=F·e，显然扭矩T随偏心距增大而增大，扭转效应越明显。4结构扭转地震响应分析方法4．1静力简化计算方法：偏心距法在底部剪力法的基础上，假定每片墙承担的剪力仍按剪力分配法，同时每片墙也承担扭矩的作用，取坐标原点在结构刚度中心上。优点：计算简单，可用于方案比较和设计阶段。缺点：偏心距是主观计算出的。非客观存在的，物理概念不够清楚。4．2振型分解反应谱法4．2．1结构振动分析模型在双向水平地震作用下，对于非对称结构，不论是单向

6、还是双向偏心，每层楼盖都会产生三个位移——两个正交方向的平移和一个水平转角。由于质点是一个没有尺寸的抽象点，不具备转动惯量，无法描述转角，所以“竖向串联质点系”不适合作为一75—建筑设计与装饰广东建材2011年第1期非对称结构抗震分析的振动模型。只有具备一定平面尺寸和转动惯量的刚片，才能充分描述非对称结构中刚性楼盖的振动状态和特征。故采用“竖向串联刚片系”作为结构的振动模型。仅存在单向偏心的高层结构，沿无偏心方向的振动属于平移振动，与有偏心方向的平移一扭转振动独立无关，互不耦连。故对于单向偏心结构，仅考虑一个方向地震时

7、，应该沿房屋的纵向和横向，分别进行单方向地震动输入的抗震分析，其结构振动模型应分别采用串联的质点系和刚片系。4．2．2振型组合计算每一振型水平地震作用产生的作用效应，将各振型的地震作用效应进行组合获得总的地震效应。不考虑扭转的多质点体系采用SRSS(平方和开方法)计算地震作用效应，是将输入地震视为平稳随机过程，并假定各振型地震反应之间是相互独立无关的。考虑到各振型的贡献随着频率的增高而递减，一般考虑前3～5个振型。而对于考虑扭转效应的结构而言，通常需考虑9～15个振型。非对称结构的平移扭转耦连振动，其自由度数目等于不考

8、虑扭转振动的串联质点系的自由度的三倍。各振型中某些振型的频率有可能比较接近，这些频率相近的地震效应之间存在着相关性。而且扭转分量的影响并不一定随着频率的增加而降低，较高振型的影响并不一定低于较低振型的影响。因此，应该采用COC(完全二次项法)法。5结构扭转动力特征参数的分析5．1扭转振动系数与振型有效质量系数美国Computers