平面不规则高层结构的扭转分析与抗扭设计.pdf

第1期广东土木与建筑No.1
2006年1月GUANGDONGARCHITECTURECIVILENGINEERINGJAN2006
平面不规则高层结构的扭转分析与抗扭设计

邓孝祥张元坤唐可
(广州容柏生建筑工程设计事务所广州510170)

摘要:在分析高层结构扭转破坏的机理、扭转变形的特点及引起扭转的主要因素的基础上,提出平面不规则高
层结构的抗扭设计方法和技术措施,并通过工程实例介绍本文抗扭方法在实际工程中的应用。
关键词:平面不规则;扭转破坏机理;扭转分析;抗扭设计

结构,质心和刚心F1
F
1概述重合于O点,当结2
F1
构受到扭矩T作T

大量震害表明,平面不对称或不规则的结构极用时,将在各柱中F2

F20
易发生扭转脆性破坏,甚至导致结构整体倒塌事故。产生F1和F2的剪
如年南美洲马那瓜地震中两幢高层建筑的震力其中离刚心较
1972,。F1
害程度就截然不同,其中15层中央银行大厦因抗侧远的柱承受的剪
F2
F1
力构件不对称布置而发生倒塌,而采用对称外框内力F1要大于离刚
筒结构的18层美洲银行大厦却仅受到轻微破坏;心较近的柱承受图1结构扭转受力示意图

1985年墨西哥地震中,有50%的建筑物直接或间接的剪力F2,也就是说当结构受到扭矩作用时,离刚
地由于结构扭转而受到破坏;1995年日本阪神地震心越远的竖向构件将承受越大的剪力。
中,由于结构构件或填充墙非对称布置所造成的结根据结构理论可知,构件的剪切破坏是脆性的,
构附加扭转破坏在临街建筑震害中表现得最突出;目前结构设计均基于小震作用的组合内力进行配筋,
1999年9月台湾集集地震中,许多不对称砖房和钢中震和大震主要是通过良好结构构造如“强柱弱梁
筋混凝土框架结构都出现了明显的扭转震害特征,更强节点,强剪弱弯”等构造措施来提高结构延性以
同时国内许多大型振动台试验都观测到结构的扭转达到耗散地震能量的目的。在中震和大震作用下产
振动及由扭转产生的破坏,因此高层结构的扭转问生的扭矩作用将明显增大竖向构件的剪力,造成竖
题已受到各国研究人员的高度关注。向墙柱构件不足以抵抗水平剪力而导致脆性剪切破
为了减小结构扭转变形和提高其抗扭性能,我坏,甚至整个结构倒塌的严重后果。也就是说,一旦
国专家学者在研究国外资料的基础上,在GB50011-由于扭转作用而使得地震作用产生的水平剪力大于
2001《建筑抗震设计规范》和JGJ3-2002《高层建筑竖向墙柱构件所能承担的剪力时,整个结构将变成
混凝土结构技术规程》(以下简称《抗规》和《高规》)“弱剪强弯,弱柱强梁”的结构体系,显然这种体系的
中都对结构扭转问题从周期比和位移比两方面作出耗能性能极差,结构将可能在瞬间发生脆性破坏而
了相关规定。倒塌。因此,结构抗震设计应考虑采取有效措施严
格控制结构扭转效应并充分估计结构可能产生的扭
2结构扭转破坏机理及扭转变形分析转效应,适当提高结构的抗扭性能。
2.2结构扭转变形分析
2.1结构扭转破坏机理假定楼板为平面内无限刚,当一个结构发生平
根据材料力学原理,当一个构件受到扭矩作用动和扭转时,将发生图2所示的变形,显然:

时,离构件刚度中心越远的地方剪应力越大,剪切变davg=(dmax+dmin)2⑴

形也越大。而在整体建筑结构中,当结构受到扭矩式中:davg为按刚性楼盖计算时该楼层水平位移或

作用时,竖向构件将承受剪力。图1为一均匀对称的层间位移的平均值;dmax、dmin分别为按刚性楼盖计
3
2006年1月第1期邓孝祥等:平面不规则高层结构的扭转分析与抗扭设计JAN2006No.1
算时同一侧楼层角点竖为止尚无法准测测定地震波的扭转分量,因此目前
x
a
g
m
向构件水平位移或层间qv的结构抗震设计理论一般都是仅考虑向水平
aX、Y
d
n
i
d
m
位移的最大和最小值。d地震作用,对于大跨度或者大悬臂结构还需考虑Z向

令位移比x=dmaxdavg,竖向地震作用,而未考虑实际存在的地震波扭转分
代入式⑴,得:量的作用,这必然对结构安全造成一定的隐患,部分
dxL学者甚至认为地震波扭转分量的作用是造成结构破
max=⑵
dx图2结构扭转变形示意图
min2-坏最重要的因素。

当x=1.2,1.5,1.8时,dmaxdmin=1.5,3.0,9.0。由3.2质心与刚心不重合产生的偏心距

此可以看出,当x=1.5时,dmaxdmin=3,整个结构变形刚心的概念最早由著名结构专家林同炎提出,
受力将变得十分不均匀,结构在地震作用下将在变认为在假设楼板为刚性的前提下,对于单层建筑结
形最大的竖向构件处首先破坏,从而造成结构破坏。构,水平力通过某点不产生扭转效应,此点就称为刚
为了控制楼层变形的均匀性,《抗规》和《高规》均作心;而多层建筑结构的刚心一般为水平荷载