建筑结构在地震作用下的扭转反应分析初探

刘雄美

（中铁二十一局集团第二工程有限公司，甘肃　兰州　730000）



建筑结构在地震作用下的扭转反应分析初探

刘雄美

（中铁二十一局集团第二工程有限公司，甘肃兰州730000）

摘要：建筑结构的平面规则性判别是建筑结构抗震设计的重要控制指标之一，对建筑结构的抗震性能安全具有重要的影响。个别结构设计人员在进行多高层钢筋混凝土结构设计时，由于对不规则结构扭转原理理解不透彻，加上过分依赖计算机计算结果，导致计算结果出现偏差，从而影响整个建筑结构在地震作用下的抗扭设计。本论述基于结构扭转变形基本概念和基本原理，考虑建筑结构在地震作用下的扭转耦联反应，对结构体系参数、扭转反应的分类、扭转不规则的判断、扭转判定主要指标进行了讨论，最后对在工程中遇到扭转不规则结构时，提出一些常用的解决方法，以供工程设计人员参考。

关键词：地震作用；扭转耦联；判别方法

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.02.014

0　引言

随着城市建设的快速发展和科技的进步，建筑结构则朝着高层、大跨及重载方向发展，为满足建筑使用功能需要、城市建筑形式美观要求以及某些多层厂房中工艺设备布置需要等，建筑结构体系平面和立面往往不可避免地形成不规则结构形式。在历次地震作用下，结构不对称引起的扭转效应会加重震害(张誉，王卫1994[1])。在破坏性地震作用下，建筑结构扭转耦联会造成结构抗震性能刚度退化，使结构破坏甚至倒塌。因此，地震作用下建筑结构的扭转耦联问题一直是建筑结构设计的主要性能控制指标之一[2]。

我国新的《建筑抗震设计规范GB50011-2010》中的振型分解反应谱法已经考虑到了地震作用下的扭转耦联问题。近几十年来，国内外学者对建筑结构及构件扭转问题进行了很多研究，并取得了一定的成果。在构件方面，张连德等对受扭构件进行了一系列试验研究，对结构及构件受扭性能及计算方法进行了探讨[3]。沈蒲生等对高层建筑结构考虑构件抗扭刚度进行了计算[4]。徐培福等在对结构扭转效应控制方法的研究基础上，建立了一系列强度相关方程[5]。Shakib等对考虑地震作用下结构扭转耦联的参数进行了研究，有建筑结构偏心率、抗侧扭转周期比、建筑结构抗扭周期、建筑结构尺寸及建筑结构偏心形式等[6]。

1　扭转反应的分类

地震作用下建筑结构扭转反应分类从产生的原因来看，可以归纳为“结构偶然扭转”和“结构偶然偏心”造成的扭转。结构偶然扭转的产生原因比较复杂，通常无法预见或无法准确定义其产生效应，结构偶然扭转产生的来源主要包括“结构自身”和“地震波输入”两个方面。结构偶然偏心产生的主要因素有：（1）由于结构自重和荷载的实际分布变化、质量中心与结构几何中心不重合、存在一定程度的偏离等造成质量偶然偏心；（2）来源于结构材料性质的变异、构件尺寸控制的误差、施工工艺及条件的限制、结构构件荷载加载历程不同、结构及构件实际边界条件差别等，结构及构件的抗侧刚度分布也可能发生变化，从而导致刚度偶然偏心。

2　扭转不规则的判断

选择不同的参数指标进行扭转不规则程度判断，最终归结于对结构偏心程度及使结构正常工作的抗扭刚度的控制。我国《建筑抗震设计规范GB 50011-2010》[7]及《高层混凝土结构技术规程JGJ 3-2010》[8]对扭转判定方法主要是运用位移比值与周期比值控制扭转，即扭转变形控制指标与扭转周期控制指标。对于扭转变形控制指标，所有按扭转控制变形指标作为判定结构扭转不规则的规范都明确了“刚性楼板假定”的前提，这主要是因为该比值是对结构整体工作性能的判断，见图1所示：

图1　扭转不规则判别方法示意

3　扭转判定主要指标

3.1偏心率

考虑扭转变形的原因，通过质量和刚度平面分布来计算结构偏心率以及设定结构及构件偏心率的限值的办法来判定结构的不规则性。日本的混凝土结构计算标准：AIJ82规定在下列条件下的扭转不规则是可以容许的：

其中ρkx、ρky分别为x和y方向的层刚度回转半径:

这种判定方法是通过两个参数来共同控制扭转不规则的下限值，反映刚度中心相对位置的参数e及反映刚度分布情况的参数ρk。这是一种比较直接的判别方法，实际上要得到多层及高层混凝土结构的“层刚度中心”及“偏心距”并不是很容易，而且对于不同类型及不同周期的结构及构件对扭转的敏感程度也不尽相同，偏心率的判别方法不能体现这种差别。

3.2位移比值

考虑楼层位移比值是对结构体系整体抗扭性能的衡量指标之一,是考虑结构及结构体系扭转全局的硬性指标之一，而非局部指标。《高层混凝土结构技术规程JGJ 3-2010》中明确指出，位移是指楼层竖向构件(即墙、柱)的最大水平位移，层间位移及其他非墙柱节点的位移是不需要考虑的。地震作用下位移比值的控制，对风荷载等其他水平作用力是不要求的。位移比值的判别：（1）对于单向地震不计偶然偏心时的位移比值，其值小于1.2；（2）当其值大于1.2时，应分别考虑单向地震计入偶然偏心及双向地震不计偶然偏心的计算，取其不利结果来判断。

见图2所示，结构及结构体系的平均位移为（δ1+ δ2）/2，质心处扭转角为θ，当θ绝对值很小时，结构边缘位移δ2、δ1分别为：

图2　刚性楼板假定下的扭转示意

定义扭转变形比值为η=δ2/δ1，将此系数作为判定结构不规则程度的指标。我国新的《建筑抗震设计规范GB 50011-2010》对规定的限值做出了明确的规定。

4　工程算例分析

参考某实际工程结构体系的结构布局，采用MidasBuilding2013试设计某9层4跨的钢管混凝土组合框架，有关设计信息如下：

（1）结构平面布置见图3所示，结构层高均为3.6m，开间6 600 mm，进深7 200 mm。混凝土和钢筋混凝土楼板中混凝土强度等级均为C40，采用宽翼缘H型钢，主梁尺寸为HW495 mm×465 mm×15 mm×20 mm（高× 宽×腹板厚×翼缘厚），次梁采用HW350mm×350mm×12 mm×19 mm；钢材选用Q345。采用圆钢管混凝土柱，柱截面尺寸为D×t=500 mm×12 mm。

（2）荷载信息：楼面恒载标准值为5.0 kN/m2，活荷载标准值为2.0 kN/m2；屋面恒载标准值为7.0 kN/m2，活载标准值为0.5kN/m2。风荷载基本风压为w0=0.45kN/m2，地面粗糙度为C类。

（3）地震信息：建筑场地类型为Ⅲ类，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组，参考钢管混凝土结构技术规程DB62/ T25-3041-2009，钢管混凝土框架结构体系在抗震设防烈度为8度，高度超过30 m情况下抗震等级为一级。

下面采用Midas设计分析软件对该模型进行校核验算，包括超筋超限验算、层间位移角验算和模态分析等。

图3　Midas模型示意

图4给出了钢管混凝土柱-钢梁框架结构体系的前三阶振动模态示意，（a）为沿着X方向的平动模态，（b）为结构体系沿着Y方向的平动，（c）为结构在绕着Z轴方向的扭转模态。

图4　前三阶模态示意

5　结论

基于上述对建筑结构在地震作用下的扭转研究，可得出以下几点初步结论：

（1）如果结构扭转变形较大，则会造成结构体系边缘构件变形过大，从而使结构体系过早地进入扭转破坏状态，造成结构体系局部倒塌，也有可能引起整体结构倒塌。

（2）对结构扭转变形的基本概念、分类及扭转不规则判定方法做了一个详细的阐述，并提出了自己的观点，最后对在工程中遇到扭转不规则结构时，提出一些常用的解决方法，以供工程设计人员参考。

（3）钢管混凝土结构体由于钢管和核心混凝土之间组合作用，使得其具有较好的抗侧刚度，地震作用下扭转效应并不明显。因此，建议采用该类结构形式，确保建筑具有较好的抗震性能。

参考文献:

［1］张誉，王卫.双向地震作用下不规则框架的扭转分析［J］.土木工程学报，1994，27（5）:37-51.

［2］李英民，韩军，刘建伟.建筑结构抗震设计扭转周期比控制指标研究［J］.建筑结构学报，2009，30（6）：77-85.

［3］张连德，陈为滢，卫云亭.低周反复扭矩作用下钢筋混凝土双向偏压构件抗扭性能的研究［J］.土木工程学报，1993，26 （2）：29-37.

［4］沈蒲生，孟焕陵，刘杨.考虑构件抗扭刚度的高层建筑结构抗扭计算［J］.铁道科学与工程学报，2006，2（3）：21-25.

［5］徐培福，黄吉锋，韦承基.高层建筑结构的扭转反应控制［J］.土木工程学报，2006，39（7）：1-8.

［6］Shakib Evaluation of accidental eccentricity in buildings due to rotational component of earth quake［J］.Journal of Earthquake Engineering，2002，16（4）：431-445.

［7］JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［8］GB50011-2010.建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

作者简介：刘雄美（1980-），男，汉族，甘肃会宁人，工程师，主要从事建筑结构工程施工研究工作。

收稿日期：2015-12-11

中图分类号：TU352.1

文献标识码：A