不規(guī)則高層建筑抗震設(shè)計(jì)中的問題與建議

王家軒

湖北華頂建筑工程有限公司技術(shù)部（431700）

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展,城市的高層建筑如雨后春筍般紛紛出現(xiàn),其中不乏一些標(biāo)新立異、新穎別致、獨(dú)樹一幟的建筑。如北京的國(guó)際賓館、鳥巢、水立方、長(zhǎng)城飯店、希爾頓飯店等。一方面，這些建筑的出現(xiàn)給城市增添了一道亮麗的風(fēng)景線，另一方面，這些建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)工程設(shè)計(jì)師們提出嚴(yán)峻考驗(yàn)。在遵循規(guī)范準(zhǔn)則的同時(shí)，設(shè)計(jì)不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)和抗震功能，是工程設(shè)計(jì)師們所面臨的一道難題，也是工程設(shè)計(jì)中的重中之重。

1 不規(guī)則性高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)

各種不規(guī)則高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要有:扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凸凹不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、側(cè)向剛度不規(guī)則、豎向值驟變、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件向下傳遞、樓層承載力突變、結(jié)構(gòu)的周期比過大、復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，帶轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)、帶加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)、多塔樓結(jié)構(gòu)等。

2 高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

首先，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)遵守“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件、強(qiáng)底層柱(墻)”的原則；對(duì)可能造成結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力；承受豎向荷載的主要構(gòu)件不宜作為主要耗能構(gòu)件。其次，應(yīng)盡可能設(shè)置多道抗震防線。一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。強(qiáng)烈地震之后往往伴隨多次余震,如只有一道防線，則在第一次破壞后再遭余震，將會(huì)因損傷積累導(dǎo)致倒塌。抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度，有意識(shí)地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)剛度，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，提高結(jié)構(gòu)抗震性能，避免大震時(shí)倒塌。此外，對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力。構(gòu)件在強(qiáng)烈地震下不存在強(qiáng)度安全儲(chǔ)備，構(gòu)件的實(shí)際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎(chǔ)。要防止在局部上加強(qiáng)而忽視了整個(gè)結(jié)構(gòu)各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。在抗震設(shè)計(jì)中有意識(shí)、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，是提高結(jié)構(gòu)總體抗震性能的有效手段。

3 不規(guī)則高層建筑在地震中結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的原因分析

國(guó)內(nèi)外歷次震害表明,平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心和抗扭轉(zhuǎn)剛度太弱的建筑結(jié)構(gòu)，在地震中最易受到嚴(yán)重破壞。如1976年唐山地震時(shí)，位于天津市的一幢平面L形建筑產(chǎn)生了強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，導(dǎo)致嚴(yán)重破壞。對(duì)平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)計(jì)算和抗扭設(shè)計(jì)是一個(gè)迄今為止仍有不少爭(zhēng)議且使結(jié)構(gòu)工程師困惑的問題[1]。為避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，應(yīng)限制建筑結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性。此外，還應(yīng)限制建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度（不能太弱）。國(guó)內(nèi)一些振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)果表明,扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，關(guān)鍵因素是限制扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比。當(dāng)兩者接近時(shí),由于振動(dòng)耦連的影響,結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。水平地震作用下不規(guī)則結(jié)構(gòu)的平動(dòng)與扭轉(zhuǎn)之間的耦聯(lián)問題、不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期與位移存在什么關(guān)系，都是工程抗震設(shè)計(jì)中有待解決的問題。

3.1 產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的因素

基于傳統(tǒng)的同步激勵(lì)抗震理論,即假定結(jié)構(gòu)各支點(diǎn)具有相同的地震動(dòng)[2]。一般認(rèn)為，地震時(shí)引起不規(guī)則結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的因素有:外加的扭轉(zhuǎn)地震輸入、結(jié)構(gòu)自身質(zhì)心和剛心不重合,以及在施工和使用過程中的偶然偏心。外加的扭轉(zhuǎn)地震輸入主要指地震動(dòng)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)分量，但是由于強(qiáng)震觀測(cè)水平的限制,目前仍然缺乏可靠的地震動(dòng)扭轉(zhuǎn)分量的記錄。結(jié)構(gòu)質(zhì)心和剛心的不重合是由于結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱不規(guī)則引起的；引起的因素很多,如荷載分布的不均勻，材料強(qiáng)度的分布不均勻等。為有效提高扭轉(zhuǎn)剛度，應(yīng)盡可能合理地布置具有較高抗扭剛度的構(gòu)件在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置。其次，結(jié)構(gòu)抗扭剛度不能太弱，關(guān)鍵是限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第1自振周期Tt與平動(dòng)為主的第1自振周期T1之比。當(dāng)二者接近時(shí)，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大?？拐鹪O(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施減小Tt/T1的比值，使結(jié)構(gòu)具有必要的抗扭剛度[3]。

3.2 扭轉(zhuǎn)角和周期比的關(guān)系

在水平地震作用下，結(jié)構(gòu)任一振型不管是平動(dòng)為主，還是扭轉(zhuǎn)為主的地震反應(yīng)，不僅各樓層產(chǎn)生平動(dòng)位移，同時(shí)也將產(chǎn)生耦聯(lián)扭轉(zhuǎn)位移，因此結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移效應(yīng)實(shí)際上與各振型的自振周期均有關(guān)，尤其與產(chǎn)生最大扭轉(zhuǎn)位移的振型有關(guān)。

3.3 扭轉(zhuǎn)位移比的控制

文獻(xiàn)[4-6]指出，在考慮偶然偏心影響的地震作用,A高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級(jí)高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。

3.4 周期比和扭轉(zhuǎn)位移比的控制

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)第1自振周期與地震作用方向的平動(dòng)第1自振周期之比值，對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有明顯影響，當(dāng)二者接近時(shí)，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著增大[7]。文獻(xiàn)[4]中對(duì)結(jié)構(gòu)周期比的限制，其目的就是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度不能過弱,以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。對(duì)于周期比的控制，不同的專家有不同的意見。對(duì)于平面不規(guī)則不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，考慮到平動(dòng)為主第1周期的大小可能對(duì)扭轉(zhuǎn)角的大小起主要作用，筆者認(rèn)為控制周期比只是手段不是本質(zhì)，本質(zhì)是控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)即最大位移和平均位移的比，相比對(duì)周期比的控制應(yīng)更加重視對(duì)扭轉(zhuǎn)位移比的控制，特別是對(duì)平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)。對(duì)扭轉(zhuǎn)位移比的控制，其實(shí)質(zhì)就是控制了結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性。在美國(guó)規(guī)范中也只有控制位移比，沒有控制周期比。

4 不規(guī)則高層建筑抗震設(shè)計(jì)建議

控制平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移，對(duì)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)可能較大的結(jié)構(gòu)平動(dòng)為主的周期，尤其是平動(dòng)為主第1周期應(yīng)控制其值不宜過大；對(duì)平面不規(guī)則高層長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)，在控制扭轉(zhuǎn)位移比時(shí)，在相同扭轉(zhuǎn)角的情況下要充分考慮長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊豎向構(gòu)件,有可能因側(cè)向位移過大而引起結(jié)構(gòu)局部破壞;對(duì)平面不規(guī)則高層結(jié)構(gòu),控制結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，采用扭轉(zhuǎn)位移比來控制更符合實(shí)際。

[1] 鄧孝祥,張亢坤,唐可.平面不規(guī)則高層結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)分析與抗扭設(shè)計(jì)[J].廣東土木與建筑,2006,20(1):5～8.

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[3] GB50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.

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