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摘要:本文分析了建筑结构扭转破坏的机理及引起扭转效应的主要因索。提出平面扭转不规则高层结构的抗扭设计相关的技术措施。并通过工程实例介绍了高层结构抗扭设计的应用。
关键词:高层结构；扭转不规则；扭转破坏机理；扭转效应；抗扭设计
Abstract: this paper analyses the architecture structure reverse damage mechanism of cause and the main causes torsion effect. Put forward the high-level structure irregular plane reverse wrest resistant design related technical measures. And through the engineering case, this paper presents the design of high-rise structure and application.
Keywords: high-rise structure; Reverse irregular; Reverse the damage mechanism; Torsion effect; Wrest resistant design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
大量震害表明，地震作用下平面凹凸不规则、楼板不连续结构，受力复杂、传力不明确，容易诱发和造成结构局部薄弱部位率先发生破坏，严重者可引起整个结构倒塌破坏。国内一些振动台模型试验结果也表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。震害表明，地震作用下结构扭转破坏，主要表现在变形受力较大而又薄弱的边缘部位竖向构件率先受到冲击损坏，地震作用效应随之不断积累，造成边缘部位竖向构件较快进入破坏状态，严重者造成结构局部倒塌，甚至引起整个结构破坏倒塌，这种扭转破坏机制较难实现整体结构延性耗能，对建筑结构抗震十分不利，设计必须加以控制。
一、结构扭转破坏机理
根据材料力学原理，当一个构件受到扭转作用时，构件横截面上距圆心为R的任一点的剪应力其方向垂直于该点所在的半径，大小与该点到圆心的距离成正比。图1为模拟一个均匀对称的结构，质心和刚心重合于O点，当结构受到扭矩T作用时，在各竖向构件中产生剪力F1和F2，其中离O点较远的剪力F1要大于离O点较近的剪力F2。这表明当结构受到扭矩作用时，离构件刚度中心越远的竖向构件剪应力越大，剪切变形也越大，且建筑周边的竖向构件承担扭转效应的剪力较大。
图1 结构扭转受力示意图
对于平面扭转不规则建筑，在中震和大震作用下产生的扭矩作用将明显加大竖向构件的剪力，一旦由于扭转作用而使得产生的水平剪力大于竖向墙柱构件所能承担的剪力时，整个结构将变成“弱剪强弯，弱柱强梁”的结构体系，显然这种体系的延性耗能能力极差，结构将可能发生脆性破坏而倒塌。因此，高层建筑结构的概念设计中应采取有效措施避免或减小在风荷载或在地震作用下产生的结构扭转效应，适当提高结构的抗扭性能。
二、引起结构扭转效应的因素
1、地震地面运动扭转分量
实际地震地面运动存在6个分量。即除X、Y、Z三个水平分量外，还有绕X、Y、Z轴的三个扭转分量，其中绕Z轴的扭转分量直接对结构产生扭矩。目前国内结构抗震设计一般都是仅考虑x、Y向水平地震作用，仅对8，9度大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑考虑z向竖向地震作用，而未考虑实际存在的地震地面运动扭转分量的作用，这必然对结构安全造成一定的隐患。
2、刚心与质心不重合产生的偏心距
在刚性楼板假设的前提F，对于单层建筑结构，水平力通过某点不产生扭转效应，此点就称为刚心。对于多高层建筑结构的刚心，当结构进入非弹性状态时，各部分构件的刚度是变化的，产生的楼层刚度中心也是变化的。地震作用时，地震力可简化为在质心处的集中力F，当结构质心与刚心不重合时，地震力F与刚心就存在偏心距e，这时在水平地震作用下将产生扭矩T=F•e[1]，扭矩T随偏心距e增加两增大，扭转效应也随之增大。除结构自身的偏心外，《高规》还要求计算单向地震作用时应考虑0.05L的偶然偏心的影响，这主要是考虑到施工、使用或地震地面运动扭转分量等因素引起附加偏心距的不利影响。
3、平扭耦联振动的放大效应
抗震设计中若考虑了平动——扭转耦联的刚度，地震产生的振动将沿结构最薄弱部位方向，次薄弱部位方向直到类推，所产生的各个阵型和周期都是空间的，各个方向位移之间将相互影响。若扭转为主的第一自振周期T1与平动为主的第一自振周期T1比Tt／T1小于0.5时，则相对扭转振动效应较小(θ、r分别为扭转角和结构的回转半径，θr表示由于扭转产生的离质心距离为回转半径处的位移，u为质心位移)；当局期比Tt／T1大于0.85时，相对扭转变形θr／u达到0.25，当周期比Tt／T1接近l时，相对扭转变形θr／u达到0.50。由此可以看出耦联振动反应对结构扭转效应有明显的放大作用，而平面不规则的结构平面对平扭耦联反应更大。
三、高层结构抗扭设计的相关技术措施
1、调整结构平面布置，减小结构相对偏心距
由公式可以看出结构扭转效应与结构相对偏心距成线性关系。调整结构平面布置的不规则性一般是在初步计算分析以后，从计算结果文件中找出结构的刚心和质心位置，从而判断结构的刚度分布是否均匀对称。然后再根据建筑情况适当增加或减少离质心较远处的剪力墙，使结构的刚心和质心尽量重合。
2、调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比，控制结构周期比
抗扭刚度与抗侧刚度之比越大，结构周期比Tt／Tl越小，就越能满足规范要求。调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比一般采取以下措施：
(1)在建筑允许的情况下，尽量加长或加厚周边剪力墙尤其是离刚心最远处的剪力墙，提高抗扭刚度，减小结构扭转周期。
(2)减少核心筒的剪力墙厚度、开设洞口或采用弱连梁连接剪力墙，从而减少核心筒剐度，削弱结构侧移刚度，加大第一平动周期。
(3)加强建筑周边框架梁和连梁刚度，在建筑转角或周边设置凸窗时可以考虑加大框架梁的高度并上翻至窗台顶的做法，从而对结构整体形成套箍效应，增强结构抗扭刚度。
(4)结构刚心附近的剪力墙对结构抗扭刚度的贡献小于对侧移刚度的贡献，因此削弱刚心附近的剪力墙，可以加大第一平动周期，减小结构周期比。
3、提高周边抗扭构件的抗剪能力，增强结构抗扭概念设计
由于现有的抗震计算中不考虑地震地面运动的扭转分量作用，关于结构周期比及位移比的限值也是基于结构弹性分析得出的结论，对于结构进入弹塑性状态下的扭转效应研究还相当不成熟。在这种情况下，仅依靠调整结构布置使其满足规范要求并不能完全保证结构在中震和大震作用下的安全。实际上当结构进入非弹性阶段，在双向水平地震作用下本来是对称的结构，也会出现随变形状态而变化的偏心，如一角柱的变形进入塑性状态后，刚度完全不同与弹性阶段，而其他角柱可能仍处于弹性状态，此时水平力会产牛很大扭转效应，从而可能导致结构破坏。在基于抗震性能的概念设计中，对于那些对抗扭效应控制特别重要的构件如建筑周边剪力墙应加强剪力墙的水平筋以提高其抗剪能力；在建筑角部转角窗两边的剪力墙端部应沿建筑伞高设置端柱或约束边缘构件，提高其抵抗扭转振动的能力，保证在中震作用下构件仍然处于弹性状态，从而达到结构“中震不坏，大震不倒”的目标。
4、工程概况分析
图2标准层结构布置图
图2为某项目l#楼标准层结构布置图，该建筑地下2层面以上33层，总高度100 m。用剪力墙结构，7度设防，建筑抗震等级为二级。建筑平面为“T”形布局，核心筒居于上部中间的位置，左边、右边和下边三个方出部分长度l／Bmax均>O.35，且左右两凸出部分接近2，按照《高规》（JGJ3-2010）相关规定，其结构平面布置不规则。
实际设计中采取了以下措施：
(1)在满足建筑要求的前提下，在结构周边设置了剪力墙即O1、Q2，提高结构抗扭刚度；
(2)将简体剪力墙开洞后采用弱连梁将其连接，降低其抗侧刚度；
(3)开大面积飘窗时将梁高设计为1.0m和1.5m，其余建筑外围梁高设计为0.6 m，提高周边梁刚度，对结构整体形成套箍效应；
(4)在开设转角飘窗的两侧剪力墙端部设置端拄DZ1，并加厚Q3至250 mm。
(5)考虑到剪力墙Q1——Q3，对控制结构扭转效应的作用，适当加强了端柱、边缘构件的配箍率及剪力墙的水平分布筋，以提高抗剪能力。经上述结构调整，结构计算主要指标见表1。
表1
计算结果表明，结构自振特性中前两个周期均为乎动周期，第一扭转周期T3与第一平动周期T1之比：T3／T1=0.684<0.85。在考虑偶然偏心的情况下，地震作用下X向及Y向楼层竖向构件的最大水平位移与该楼层水平位移平均使的比值分剔为1．t9(X－5％)和1.18(Y+5％)；地震作用下的X向和Y向最大值层问位移角分别为1／2000和1／1264。此工程通过结构布置调整，各项指标均满足规范要求，抗扭设计達到较理想的结果。
结束语
平面不规则高层结构的地震扭转反应十分复杂，因此结构工程师应在理解结构扭转破坏机理的基础上，从控制结构振动特性的角度出发，调整结构布置，以避免和减少扭转效应，从而满足建筑要求和相关结构规范规定。同时采用基于性能的抗震概念来进行结构抗扭设计，确保结构在地震作用下不发生扭转破坏。
参考文献
【1】王智恒.浅谈高层建筑结构中的抗扭设计【J】.城市建设.2010(15)
【2】姚立华.浅谈高层建筑结构中的抗扭设计【J】.科技创新导报 2010(18)
【3】占文峰,贾益纲.不规则多高层建筑抗震性能分析【J】.江西科学 2007(1)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词:高层结构；扭转不规则；扭转破坏机理；扭转效应；抗扭设计
Abstract: this paper analyses the architecture structure reverse damage mechanism of cause and the main causes torsion effect. Put forward the high-level structure irregular plane reverse wrest resistant design related technical measures. And through the engineering case, this paper presents the design of high-rise structure and application.
Keywords: high-rise structure; Reverse irregular; Reverse the damage mechanism; Torsion effect; Wrest resistant design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
大量震害表明，地震作用下平面凹凸不规则、楼板不连续结构，受力复杂、传力不明确，容易诱发和造成结构局部薄弱部位率先发生破坏，严重者可引起整个结构倒塌破坏。国内一些振动台模型试验结果也表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。震害表明，地震作用下结构扭转破坏，主要表现在变形受力较大而又薄弱的边缘部位竖向构件率先受到冲击损坏，地震作用效应随之不断积累，造成边缘部位竖向构件较快进入破坏状态，严重者造成结构局部倒塌，甚至引起整个结构破坏倒塌，这种扭转破坏机制较难实现整体结构延性耗能，对建筑结构抗震十分不利，设计必须加以控制。
一、结构扭转破坏机理
根据材料力学原理，当一个构件受到扭转作用时，构件横截面上距圆心为R的任一点的剪应力其方向垂直于该点所在的半径，大小与该点到圆心的距离成正比。图1为模拟一个均匀对称的结构，质心和刚心重合于O点，当结构受到扭矩T作用时，在各竖向构件中产生剪力F1和F2，其中离O点较远的剪力F1要大于离O点较近的剪力F2。这表明当结构受到扭矩作用时，离构件刚度中心越远的竖向构件剪应力越大，剪切变形也越大，且建筑周边的竖向构件承担扭转效应的剪力较大。
图1 结构扭转受力示意图
对于平面扭转不规则建筑，在中震和大震作用下产生的扭矩作用将明显加大竖向构件的剪力，一旦由于扭转作用而使得产生的水平剪力大于竖向墙柱构件所能承担的剪力时，整个结构将变成“弱剪强弯，弱柱强梁”的结构体系，显然这种体系的延性耗能能力极差，结构将可能发生脆性破坏而倒塌。因此，高层建筑结构的概念设计中应采取有效措施避免或减小在风荷载或在地震作用下产生的结构扭转效应，适当提高结构的抗扭性能。
二、引起结构扭转效应的因素
1、地震地面运动扭转分量
实际地震地面运动存在6个分量。即除X、Y、Z三个水平分量外，还有绕X、Y、Z轴的三个扭转分量，其中绕Z轴的扭转分量直接对结构产生扭矩。目前国内结构抗震设计一般都是仅考虑x、Y向水平地震作用，仅对8，9度大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑考虑z向竖向地震作用，而未考虑实际存在的地震地面运动扭转分量的作用，这必然对结构安全造成一定的隐患。
2、刚心与质心不重合产生的偏心距
在刚性楼板假设的前提F，对于单层建筑结构，水平力通过某点不产生扭转效应，此点就称为刚心。对于多高层建筑结构的刚心，当结构进入非弹性状态时，各部分构件的刚度是变化的，产生的楼层刚度中心也是变化的。地震作用时，地震力可简化为在质心处的集中力F，当结构质心与刚心不重合时，地震力F与刚心就存在偏心距e，这时在水平地震作用下将产生扭矩T=F•e[1]，扭矩T随偏心距e增加两增大，扭转效应也随之增大。除结构自身的偏心外，《高规》还要求计算单向地震作用时应考虑0.05L的偶然偏心的影响，这主要是考虑到施工、使用或地震地面运动扭转分量等因素引起附加偏心距的不利影响。
3、平扭耦联振动的放大效应
抗震设计中若考虑了平动——扭转耦联的刚度，地震产生的振动将沿结构最薄弱部位方向，次薄弱部位方向直到类推，所产生的各个阵型和周期都是空间的，各个方向位移之间将相互影响。若扭转为主的第一自振周期T1与平动为主的第一自振周期T1比Tt／T1小于0.5时，则相对扭转振动效应较小(θ、r分别为扭转角和结构的回转半径，θr表示由于扭转产生的离质心距离为回转半径处的位移，u为质心位移)；当局期比Tt／T1大于0.85时，相对扭转变形θr／u达到0.25，当周期比Tt／T1接近l时，相对扭转变形θr／u达到0.50。由此可以看出耦联振动反应对结构扭转效应有明显的放大作用，而平面不规则的结构平面对平扭耦联反应更大。
三、高层结构抗扭设计的相关技术措施
1、调整结构平面布置，减小结构相对偏心距
由公式可以看出结构扭转效应与结构相对偏心距成线性关系。调整结构平面布置的不规则性一般是在初步计算分析以后，从计算结果文件中找出结构的刚心和质心位置，从而判断结构的刚度分布是否均匀对称。然后再根据建筑情况适当增加或减少离质心较远处的剪力墙，使结构的刚心和质心尽量重合。
2、调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比，控制结构周期比
抗扭刚度与抗侧刚度之比越大，结构周期比Tt／Tl越小，就越能满足规范要求。调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比一般采取以下措施：
(1)在建筑允许的情况下，尽量加长或加厚周边剪力墙尤其是离刚心最远处的剪力墙，提高抗扭刚度，减小结构扭转周期。
(2)减少核心筒的剪力墙厚度、开设洞口或采用弱连梁连接剪力墙，从而减少核心筒剐度，削弱结构侧移刚度，加大第一平动周期。
(3)加强建筑周边框架梁和连梁刚度，在建筑转角或周边设置凸窗时可以考虑加大框架梁的高度并上翻至窗台顶的做法，从而对结构整体形成套箍效应，增强结构抗扭刚度。
(4)结构刚心附近的剪力墙对结构抗扭刚度的贡献小于对侧移刚度的贡献，因此削弱刚心附近的剪力墙，可以加大第一平动周期，减小结构周期比。
3、提高周边抗扭构件的抗剪能力，增强结构抗扭概念设计
由于现有的抗震计算中不考虑地震地面运动的扭转分量作用，关于结构周期比及位移比的限值也是基于结构弹性分析得出的结论，对于结构进入弹塑性状态下的扭转效应研究还相当不成熟。在这种情况下，仅依靠调整结构布置使其满足规范要求并不能完全保证结构在中震和大震作用下的安全。实际上当结构进入非弹性阶段，在双向水平地震作用下本来是对称的结构，也会出现随变形状态而变化的偏心，如一角柱的变形进入塑性状态后，刚度完全不同与弹性阶段，而其他角柱可能仍处于弹性状态，此时水平力会产牛很大扭转效应，从而可能导致结构破坏。在基于抗震性能的概念设计中，对于那些对抗扭效应控制特别重要的构件如建筑周边剪力墙应加强剪力墙的水平筋以提高其抗剪能力；在建筑角部转角窗两边的剪力墙端部应沿建筑伞高设置端柱或约束边缘构件，提高其抵抗扭转振动的能力，保证在中震作用下构件仍然处于弹性状态，从而达到结构“中震不坏，大震不倒”的目标。
4、工程概况分析
图2标准层结构布置图
图2为某项目l#楼标准层结构布置图，该建筑地下2层面以上33层，总高度100 m。用剪力墙结构，7度设防，建筑抗震等级为二级。建筑平面为“T”形布局，核心筒居于上部中间的位置，左边、右边和下边三个方出部分长度l／Bmax均>O.35，且左右两凸出部分接近2，按照《高规》（JGJ3-2010）相关规定，其结构平面布置不规则。
实际设计中采取了以下措施：
(1)在满足建筑要求的前提下，在结构周边设置了剪力墙即O1、Q2，提高结构抗扭刚度；
(2)将简体剪力墙开洞后采用弱连梁将其连接，降低其抗侧刚度；
(3)开大面积飘窗时将梁高设计为1.0m和1.5m，其余建筑外围梁高设计为0.6 m，提高周边梁刚度，对结构整体形成套箍效应；
(4)在开设转角飘窗的两侧剪力墙端部设置端拄DZ1，并加厚Q3至250 mm。
(5)考虑到剪力墙Q1——Q3，对控制结构扭转效应的作用，适当加强了端柱、边缘构件的配箍率及剪力墙的水平分布筋，以提高抗剪能力。经上述结构调整，结构计算主要指标见表1。
表1
计算结果表明，结构自振特性中前两个周期均为乎动周期，第一扭转周期T3与第一平动周期T1之比：T3／T1=0.684<0.85。在考虑偶然偏心的情况下，地震作用下X向及Y向楼层竖向构件的最大水平位移与该楼层水平位移平均使的比值分剔为1．t9(X－5％)和1.18(Y+5％)；地震作用下的X向和Y向最大值层问位移角分别为1／2000和1／1264。此工程通过结构布置调整，各项指标均满足规范要求，抗扭设计達到较理想的结果。
结束语
平面不规则高层结构的地震扭转反应十分复杂，因此结构工程师应在理解结构扭转破坏机理的基础上，从控制结构振动特性的角度出发，调整结构布置，以避免和减少扭转效应，从而满足建筑要求和相关结构规范规定。同时采用基于性能的抗震概念来进行结构抗扭设计，确保结构在地震作用下不发生扭转破坏。
参考文献
【1】王智恒.浅谈高层建筑结构中的抗扭设计【J】.城市建设.2010(15)
【2】姚立华.浅谈高层建筑结构中的抗扭设计【J】.科技创新导报 2010(18)
【3】占文峰,贾益纲.不规则多高层建筑抗震性能分析【J】.江西科学 2007(1)
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。