高層建筑的扭轉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.江西五方建筑設計有限公司，江西贛州 341000)

高層建筑的扭轉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.江西五方建筑設計有限公司，江西贛州 341000)

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

高層建筑;扭轉效應;抗扭剛度;地震作用;抗扭措施

1 引言

隨著現代物質生活的迅猛發展，人類對建筑功能和形式要求越來越多樣化，隨之產生了越來越多復雜體型的建筑，其中以平面不規則布置的建筑為代表［1］。然而，據專家研究發現，國內外歷次大地震的震害表明，地震作用對不規則的建筑極易產生破壞，顯現出明顯的扭轉破壞特征，結構的扭轉破壞在所有的地震破壞形式中占據了相當大的一個比重［2］。如1967年7月委內瑞拉加拉加斯地震有兩棟14層框架結構公寓(CYPRESSGARDEN和COVENTGARDEN)，平面為Ⅱ形都是角柱破壞說明由于扭轉使層間位移增大;1972年尼加拉瓜地震中，兩幢結構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構的對稱外框內筒結構的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日汶川地震因不規則平面因扭轉而破壞的很多。此類建筑的延性較差，在震害時因扭轉效應使建筑迅速脆性破壞，嚴重危害人們的生命財產安全;因此在高層建筑抗震設計中，做好結構的抗扭設計是十分重要和必要的。

2 扭轉破壞機理

根據圖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系切應力

圖1 結構扭轉示意圖

3 引起結構扭轉因素

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軸三個扭轉分量，并且繞Z軸的扭轉分量直接對結構產生扭轉作用。由于扭轉分量很難準確監測和計算，我國結構設計除8﹑9度大跨度和大懸臂結構和9度時高層結構需考慮Z向地震作用，其他情形皆不考慮。未考慮地震作用扭轉分量的工程，必然對結構安全帶來隱患。

3.2 建筑結構本身平面剛度﹑質量的分布的影響

建筑質心與剛心的不重合產生的偏心距:剛心是水平力通過某個點而不產生扭轉效應的點［4］。在剛性樓板假定的前提下，對于單層建筑結構剛心是不變的，然而當結構進入塑形狀態時，對于多層建筑結構的剛心，由于每個構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心處的集中力F，當建筑物剛心與質心不重合時，那么剛心與作用在質心處的地震力產生偏心距e，在水平地震作用下產生扭矩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JGJ3－2010《高層建筑混凝土結構技術規程》［5］(以下簡稱高規)第3.3.3條規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 建筑結構扭轉與平移振動的藕聯反應產生動力放大作用

其中Tt、Tl分別為扭轉第一周期和平動第一周期，kl、mt分別為結構抗側剛度和抗扭剛度，ml、mt分別為該結構的質量與轉動慣量。由(3)式可知提高構件的抗扭剛度可減輕結構的扭轉效應，把抗扭剛度大的構件布置在結構適當的位置，或在剛度富余時減少抗側剛度。又根據《高規》，水平地震作用效應(內力和位移)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?？芍蝗∏?～3個振型)，若將SEk視為扭轉角效應，則從(4)式可得知扭轉角效應與扭轉周期所對應的振型有關。特別是對于平面不規則結構而言，由于結構平扭藕聯的存在，在任何一個平動周期中都伴隨著扭轉效應。當平動為主的第一振型周期遠大于扭轉為主的第一振型周期，則引起樓層扭轉的主要因素可能平動為主的第一振型周期。所以，對于平面不規則結構，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，住宅為一體的綜合性大樓，建筑層數地下1層，地上32層，其中底部裙房二層，結構體系為剪力墻結構，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，地震設防烈度為6度標準設防，設計地震分組為第一組，設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，模型未調整前該Y形圖兩側翼緣扭轉效應非常劇烈，本人從概念設計和計算設計方面入手，運用扭轉原理來抵抗不規則建筑的扭轉破壞。分別用下列四種方案對模型進行調整，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?，F分別把每個方案計算所得的數據列于下表且四個方案分別列前6個振型的數據。

表1 方案一satwe結構計算結果

表2 方案二satwe結構計算結果

圖5 標準平面圖

表3 方案三satwe結構計算結果

表4 方案四satwe結構計算結果

5 工程抗扭措施

(1)建筑設計時盡量使平面和立面不要過多超過不規則界限，盡量滿足連續的傳力路徑;通過對結構平面剛度的調整，盡可能使建筑的質量中心和剛度中心重合。

(2)結構構件沿高度布置應均勻﹑連續，使結構的側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﹑當結構構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件鋼筋的配筋率來提高構件的延性，從而達到耗能的目的。

(4)利用連接梁降低不規則結構的扭轉效應，加強其整體效果，控制立面的單側內收，裙房宜采用較柔結構使其減小樓層剛度差異。

(5)運用結構概念注重“抗”與“放”，“抗”即加大遠離剛度中心構件的剛度，若允許可加大剪力墻的長度﹑寬度;“放”即在結構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對其開洞(可加大第一平動周期)從而使該處產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，宜每層設置拉梁或拉板［8］，對于薄弱環節要集中使用材料，樓板和梁得的鋼筋應加重﹑焊接﹑拉通，以增強其連續性，并加強頸縮范圍及其附近的柱的縱筋和箍筋［3］。

6 結語

綜上所述，扭轉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﹑是控制扭轉的主要因素。因此，建筑結構設計者在對高層建筑進行設計時，一定要充分考慮建筑結構的扭轉問題，嚴格限制構件的剪應力大小加強結構的抗扭剛度;從概念設計入手，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件，對薄弱部位構件的設計采取較嚴要求的延性構造抗震措施，嚴格控制工程結構的位移比﹑周期比﹑偏心率。希望本文所總結的主要措施能對減少不規則結構帶來的扭轉不利影響，起到拋磚引玉的作用。

［1］徐培福，傅學怡.復雜高層建筑結構設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005:14－15.

［2］徐培福，黃吉鋒，韋承基.高層建筑結構在地震作用下的扭轉振動效應［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則結構的抗扭設計方法研究［J］.建筑結構，2005，16(8):35－36.

［4］林同炎，思多臺斯伯利S D.結構概念和體系［M］.北京:中國建筑工業出版社，1985:27－28.

［5］JGJ3－2010.高層建筑混凝土結構技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010:35－36.

［6］徐培福，黃吉鋒，韋承基.高層建筑結構扭轉反應控制［C］//第十九屆全國高層建筑結構學術會議論文.吉林長春:中國建筑學會建筑結構分會，2006:18－19.

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

［8］劉暢.地震作用下偏心結構扭轉反應研究［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，研究方向為結構工程。E－mail:daoqiangpeng@163.com