钢筋混凝土结构扭转设计方法及控制措施

宋 琨

(北京翰时建筑设计有限公司 北京 100052)

一、引言

随着城市的大力发展，人口密度越来越大，为满足人类生存等多方面的需求，城市建设中也出现了越来越多的高层及体型不规则建筑。历次震害表明[1-3]，不规则的建筑结构，在地震中会出现较为明显的扭转效应，进而引起结构严重破坏甚至倒塌，造成难以估量的生命和财产损失。

二、建筑物扭转效应的控制指标

(一)位移比

(1)

式中，α—结构的位移比；L1、L2分别为建筑最小位移和最大位移。

我国《抗规》和《高规》中对位移比的计算是基于强制刚性楼板假定，并考虑偶然偏心的条件下计算得到的。对于偶然偏心的大小，《高规》给出了公式：ei=±0.05Li

(2)

式中，ei—第i层质心偏移值(m)，各楼层质心偏移方向相同；

Li—第i层垂直于地震作用方向的建筑物总长度(m)。

同时，我国《高规》也对建筑位移比提出了限值，A级高度建筑的位移比不宜超过1.2，不应超过1.5；B级高度建筑以及高度超过A级的混合结构和复杂高层建筑，其位移比不宜大于1.2，且不应大于1.5。但当楼层的最大水平位移不大于其位移角最大限值的40%时，其位移比可适当放松至1.6。

由此可以看出，建筑物的扭转程度，与结构类型和建筑高度有密切关系，当结构抗侧刚度很大，地震作用下水平位移相对很小时，结构抗震性能也会满足要求，此时可适当放宽对位移比的要求。

(二)周期比

徐培福[4]等在仅考虑一阶侧向阵型与一阶扭转阵型的相互作用下，并通过TBSAP有限元的验证，得出在周期比Tt/Tl小于1.3时，可忽略高阶阵型的影响，并得出结构顶部相对扭转响应θr/u的近似公式：

(3)

(4)

为清楚起见，可将式(3)表示如下：

(5)

我国《高规》在前人研究的基础上，给出了结构周期比的限值，对A级高度的建筑，结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期Tl之比不应大于0.9；对B级高度以及超过A级的混合结构和复杂结构，周期比不应大于0.85。由此可以看出，通过对结构周期比的控制，可以使结构的扭转刚度不致过小，以此来限制结构的扭转效应。

三、建筑物扭转效应的控制措施

(一)概念设计

保证结构的安全性和可靠度，是结构设计的最主要任务。目前我国所采用的抗震设防烈度，是在以往地震经验的基础上，结合我国现阶段的基本国情制定的，然而在某些地区，依然有可能发生超过当地设防烈度的强烈地震，比如2008年的汶川地震，汶川等地按6度或7度进行抗震设计，而实际地震烈度高达8-11度[6]。按我国规范进行时程分析时，也只是选取几条实际地震记录和人工模拟的加速度时程曲线，这样的模拟结果依然是通过小样本来估计地震效应，所以以目前对地震的认识水平，要准确预测结构物在未来地震作用下的抗震能力，尚难以做到。因此，应着眼于抗震概念设计，再辅以必要的计算和构造措施，从根本上消灭结构抗震的薄弱环节，才能设计出具有良好抗震性能的建筑。结构概念设计是对结构设计提出的设计思想和原则，对结构的抗震性能化设计起到了关键作用[5]。

根据我国《抗规》的要求，在选择建筑场地时，应根据工程需要和地震活动情况，对抗震地段做出综合评价，对不利地段应考虑避让，无法避让时，应采取有力措施；对危险地段，严禁建造甲乙类建筑，不应建造丙类建筑。同时，要选择合理的建筑形体和布置，平立面要简单对称，减少结构偏心，以此来限值结构的扭转效应，并使周期比更易满足规范要求。

四、总结

本文通过历次震害的经验，指出建筑物在地震中遭受破坏与结构扭转效应之间的关系，并通过规范提出对结构位移比和周期比进行控制，使结构不致产生过大的扭转，并提出对建筑物扭转效应的控制措施，结合规范要求，从抗震概念设计的角度，指出建筑物在抗震设计时应采取的措施。