不規則高層建筑抗震設計中的問題與建議

王家軒

湖北華頂建筑工程有限公司技術部（431700）

0 前言

隨著我國經濟和城市建設的蓬勃發展,城市的高層建筑如雨后春筍般紛紛出現,其中不乏一些標新立異、新穎別致、獨樹一幟的建筑。如北京的國際賓館、鳥巢、水立方、長城飯店、希爾頓飯店等。一方面，這些建筑的出現給城市增添了一道亮麗的風景線，另一方面，這些建筑的結構設計對工程設計師們提出嚴峻考驗。在遵循規范準則的同時，設計不規則高層建筑結構和抗震功能，是工程設計師們所面臨的一道難題，也是工程設計中的重中之重。

1 不規則性高層建筑結構設計的主要特點

各種不規則高層建筑的結構特點主要有:扭轉不規則、凸凹不規則、樓板局部不連續、側向剛度不規則、豎向值驟變、豎向抗側力構件不連續，豎向抗側力構件的內力由水平轉換構件向下傳遞、樓層承載力突變、結構的周期比過大、復雜高層結構，帶轉換層的結構、帶加強層的結構、錯層結構、連體結構、多塔樓結構等。

2 高層建筑抗震結構設計的基本原則

首先，結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩定性、延性等方面的性能。結構構件應遵守“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強底層柱(墻)”的原則；對可能造成結構的相對薄弱部位，應采取措施提高抗震能力；承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。其次，應盡可能設置多道抗震防線。一個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接協同工作。強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，將會因損傷積累導致倒塌。抗震結構體系應有最大可能數量的內部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區，主要耗能構件應有較高的延性和適當剛度，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構抗震性能，避免大震時倒塌。此外，對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力。構件在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載能力分析是判斷薄弱部位的基礎。要防止在局部上加強而忽視了整個結構各部位剛度、承載力的協調。在抗震設計中有意識、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生轉移，是提高結構總體抗震性能的有效手段。

3 不規則高層建筑在地震中結構扭轉振動的原因分析

國內外歷次震害表明,平面不規則、質量與剛度偏心和抗扭轉剛度太弱的建筑結構，在地震中最易受到嚴重破壞。如1976年唐山地震時，位于天津市的一幢平面L形建筑產生了強烈的扭轉反應，導致嚴重破壞。對平面不規則高層建筑結構在水平地震作用下的扭轉效應計算和抗扭設計是一個迄今為止仍有不少爭議且使結構工程師困惑的問題[1]。為避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應對建筑結構的扭轉效應，應限制建筑結構平面布置的不規則性。此外，還應限制建筑結構的扭轉剛度（不能太弱）。國內一些振動臺模型試驗結果表明,扭轉效應會導致建筑結構的嚴重破壞。實驗結果提示，關鍵因素是限制扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比。當兩者接近時,由于振動耦連的影響,結構的扭轉效應明顯增大。水平地震作用下不規則結構的平動與扭轉之間的耦聯問題、不規則結構的扭轉周期與位移存在什么關系，都是工程抗震設計中有待解決的問題。

3.1 產生扭轉振動的因素

基于傳統的同步激勵抗震理論,即假定結構各支點具有相同的地震動[2]。一般認為，地震時引起不規則結構扭轉振動的因素有:外加的扭轉地震輸入、結構自身質心和剛心不重合,以及在施工和使用過程中的偶然偏心。外加的扭轉地震輸入主要指地震動本身的轉動分量，但是由于強震觀測水平的限制,目前仍然缺乏可靠的地震動扭轉分量的記錄。結構質心和剛心的不重合是由于結構的不對稱不規則引起的；引起的因素很多,如荷載分布的不均勻，材料強度的分布不均勻等。為有效提高扭轉剛度，應盡可能合理地布置具有較高抗扭剛度的構件在結構的適當位置。其次，結構抗扭剛度不能太弱，關鍵是限制結構扭轉為主的第1自振周期Tt與平動為主的第1自振周期T1之比。當二者接近時，結構的扭轉效應明顯增大。抗震設計中應采取措施減小Tt/T1的比值，使結構具有必要的抗扭剛度[3]。

3.2 扭轉角和周期比的關系

在水平地震作用下，結構任一振型不管是平動為主，還是扭轉為主的地震反應，不僅各樓層產生平動位移，同時也將產生耦聯扭轉位移，因此結構的扭轉位移效應實際上與各振型的自振周期均有關，尤其與產生最大扭轉位移的振型有關。

3.3 扭轉位移比的控制

文獻[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，不應大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑、混合結構高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.4倍。

3.4 周期比和扭轉位移比的控制

結構扭轉第1自振周期與地震作用方向的平動第1自振周期之比值，對結構的扭轉效應有明顯影響，當二者接近時，結構的扭轉效應顯著增大[7]。文獻[4]中對結構周期比的限制，其目的就是控制結構扭轉剛度不能過弱,以減小扭轉效應。對于周期比的控制，不同的專家有不同的意見。對于平面不規則不對稱結構，考慮到平動為主第1周期的大小可能對扭轉角的大小起主要作用，筆者認為控制周期比只是手段不是本質，本質是控制扭轉效應即最大位移和平均位移的比，相比對周期比的控制應更加重視對扭轉位移比的控制，特別是對平面不規則結構。對扭轉位移比的控制，其實質就是控制了結構平面布置的不規則性。在美國規范中也只有控制位移比，沒有控制周期比。

4 不規則高層建筑抗震設計建議

控制平面不規則高層建筑結構的扭轉位移，對扭轉效應可能較大的結構平動為主的周期，尤其是平動為主第1周期應控制其值不宜過大；對平面不規則高層長形結構，在控制扭轉位移比時，在相同扭轉角的情況下要充分考慮長形結構長邊豎向構件,有可能因側向位移過大而引起結構局部破壞;對平面不規則高層結構,控制結構在水平地震作用下的扭轉效應，采用扭轉位移比來控制更符合實際。

[1] 鄧孝祥,張亢坤,唐可.平面不規則高層結構的扭轉分析與抗扭設計[J].廣東土木與建筑,2006,20(1):5～8.

[2] 魏璉,王森,韋承基.水平地震作用下不對稱不規則結構抗扭設計方法研究[J].建筑結構,2005,2(8):12～17.

[3] GB50011-2001,建筑抗震設計規范[S].中國建筑工業出版社,2001.

[4] JGJ3-2002,高層建筑混凝土結構技術規程[S].中國建筑工業出版社,2002.

[5] 孫昱斌.高層建筑扭轉效應的改善[J].蘇州科技學院學報(工程技術版),2003,15(3):70～80.

[6] 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].建筑科學,2000,19(1):4～9.

[7] 郭建鵬.復雜體型高層建筑結構的扭轉控制探討[J].山西建筑,2006,32(11):54～57.