L形高層建筑扭轉效應控制

石躍兵 王澤云 ,陳鵬旭

（西華大學建筑與土木工程學院，四川 成都 610065）

L形高層建筑扭轉效應控制

石躍兵1王澤云2,陳鵬旭2

（西華大學建筑與土木工程學院，四川 成都 610065）

本文分析了造成扭轉效應的主要原因，以及當前的扭轉振動效應理論。探討了《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）（以下簡稱《高規》）對于扭轉效應控制的要求。通過SATWE軟件計算分析L形建筑工程實例的周期比和位移比，最后提出了對于扭轉效應控制的一些建議。

高層建筑結構 扭轉效應 周期比 位移比

隨著建筑行業的迅猛發展，普通而簡單的平面結構布置形式已經不能滿足人們的需求，各種平面形式的建筑應運而生，其中就包擴對抗震不利的平面為 L形的建筑。L形建筑在幾何上不對稱，導致 L形建筑的偏心率較大，扭轉效應大。對于L形建筑的結構設計人員來說應該要特別注重對于結構扭轉效應的控制。

1 造成扭轉效應的主要因素

當前，我們在考慮建筑結構在地震作用時的扭轉效應時，主要考慮以下四個方面因素：（1）地震動本身包含有轉動分量；（2）雙向地震作用，當結構進入非彈性階段，在雙向水平地震作用下，本來是對稱的結構，也會出現隨變形形態而變化的偏心；（3）建筑結構自身在平面內質量中心和剛度中心不重合；（4）偶然偏心，由于施工、使用、設計理論模型偏差等不確定因素引起的在地震作用下的扭轉振動。

2 扭轉效應理論

對于扭轉效應的理論研究在文獻[1]中引入了 /r uθ ：即結構頂部相對扭轉效應,并給出了其近似計公式：

圖1 θ r /u～ Tt /T1關系曲線

3 《高規》對于扭轉效應控制的要求

《高規》[3]主要是通過第（3.4.5）條和第（4.3.3）條的規定來實現對于扭轉效應的控制的。其中第（3.4.5）條主要是對于周期比和位移比的要求，第（4.3.3）條主要是對于偶然偏心的要求，對于這兩條規范的詳細規定讀者可自己查閱相關規范這里不再贅述。

4 工程實例

某地10層酒店采用L形平面布置，酒店層高為3.3m無地下室，建筑高度為33m,建筑平面總長為42m,建筑平面總寬為31m,建筑抗震設防烈度為7度(0.1g)，設計地震分組為第一組，II類場地，初步設計只在凹處的樓梯間和電梯間處設置剪力墻如圖2所示。

圖2 L形酒店方案一

圖3 L形酒店方案二

采用SATW對圖2結構平面布置形式建筑模型進行水平地震作用計算。在考慮扭轉耦聯時的振動周期(秒)、轉角、扭轉系數如下表：

振型號 周 期 轉 角 扭轉系數1 1.2991 90.02 0.94 2 1.0146 52.27 0.04 3 0.9046 143.91 0.02

考慮偶然偏心情況，采用強制剛性樓板假定，地震作用規定水平力下作用下結構最大位移比為1.74，計算得到的樓層X、Y方向的最大層間位移角分別為1/2125和1/1735（規范限值為1/800）。

周期比情況分析，該結構周期比為1.12991/1.0146=1.28＞0.9,不滿足規范要求(A急高度不應大于0.9)，由式(3.2)周期比的定義可知造成周期比偏大的原因是抗扭剛度和抗側移剛度的相對大小不滿足要求，同過分析X、Y方向的最大層間位移角大小(與規范限值差距不大)以及扭轉周期為第一周期可知，造成周期比過大的原因是結構的抗扭剛度不足而非抗側移剛度過大。因此后面的結構調整主要是增加結構的抗扭剛度。

位移比情況分析，該結構在考慮偶然偏心地震作用及強制剛性樓板假定的情況下，規定水平力下作用下結構最大位移比為 1.74，《高規》要求不宜大于 1.2，不應大于1.5（A級高度）。該結構的位移比不滿足規范要求，由式(3.1)可知造成位移比過大的原因有偏心率和周期比，SATWE計算得到每層樓的偏心率均為Eex = 0.2215和Eey = 0.0465，雖然混凝土結構對于偏心率沒有明確的限值要求，但參考《高層民用建筑鋼結構技術規程》[4]對于偏心率的要求(偏心率超過 0.15為平面不規則)可以定性的分析出 Eex過大，在后面的調整中要注意偏心率的調整。初步調整后的結構平面布置方案二如圖 3所示，主要的調整是增大結構的外圍剛度，同時適量減少結構中心的剪力墻數量，減小內部剛度。

采用SATW對圖3結構平面布置方案二進行水平地震作用計算，考慮扭轉耦聯時的振動周期(秒)、轉角、扭轉系數如下表：

振型號 周 期 轉角 扭轉系數1 0.9799 82.74 0.26 2 0.9208 179.56 0.04 3 0.8288 107.28 0.69

考慮偶然偏心情況地震作用，采用強制剛性樓板假定，規定水平力下作用下結構最大位移比為1.40，計算得到的樓層X、Y方向的最大層間位移角分別為1/1897和1/1578。

通過調整后結構的周期比為0.8288/0.9799=0.85＜0.9滿足規范要求，最大位移比為1.4＜1.5滿足規范要求，但仍偏大還可以繼續調整。SATWE計算得到每層樓的偏心率均為Eex = 0.1515和Eey = 0.0115，由此可知在此時偏心率基本滿足要求，但仍然可以再做優化。

為了找到結構剛度薄弱方向可通過查看結構整體空間振動簡圖，如圖 4所示為結構的Y向的平動振型。由圖可看出結構的Y向平動振動并不純粹，而且可以看出L形結構平面的左上部分偏薄弱，該部分需要進一部加強。采用如圖5所顯的結構布置方案。

圖4 結構Y向平動振型

圖5 L形酒店方案三

圖6 結構Y向平動振型

圖6調整后的Y向平動振型，在增加剪力墻后Y向平動振型的純粹性得到明顯改善，結構的剛度分布均勻性也得到改善。調整后結構的周期比為0.86，同時，結構的最大位移比由1.4變為1.21。

小結，對于結構周期比、位移比等參數不滿足規范時要具體問題具體分析，從整體上考慮問題，不要只著眼于單一參數，要綜合考慮各參數之間的相互影響，綜合分析后得出扭轉效應過大的本質原因。

5 結束語

1、任何建筑結構都不可避免的存在潛在的扭轉效應，對于結構設計人員而言要對結構扭轉效應的控制要有足夠的重視。

2、筆者認為對于兩個正交方向剛度差別很大的結構在周期比滿足規范要求的情況下，結構設計人員要適當的考慮平動為主的第二自振周期與扭轉為主的第一自振周期之間的比值。

3、對于位移比不滿足規范要求的結構，可通過綜合調節偏心率和周期比兩個參數來調節。

4、對于周期比不滿足規范要求時可通過調節抗側剛度和抗扭剛度的比值來進行調整，還應注意的是，我們不要只是調節剛度之間的比值，對于某些工程而言調節質量和轉動慣量比值的調整可能會達到更好的結果。

5、對與結構的剛度薄弱部位可以通過SATWE提供的結構整體空間振動簡圖中查看，通過該圖還可以讓設計者清楚的判斷振型的性態和結構的薄弱方向。

[1]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，第16卷第一期2000年2月.

[2]W.K.Tso.Torsions in Multistory Buildings.The third conference on tall building[R].HongKong,Guangzhou,1984.

[3]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.

[4]JGJ99-2014高層民用建筑鋼結構技術規程. [S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

TU375;TU311.3

A

1007-6344（2015）09-0279-02