论高层建筑平面不规则结构设计

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摘要：本文主要指出了不规则结构的特点,分析了不规则结构扭转效应产生的原因,归纳总结了关于结构扭转不规则的讨论及控制指标,以供参考借鉴。

关键词:不规则结构,扭转效应,扭转不规则

前言

高层建筑结构设计中,平面布置规则性是必须仔细考虑的因素,由于不规则平面布置结构使其平面质量中心同刚度中心不重合,使结构绕刚心发生扭转,导致同层构件同一方向上产生不同位移,严重时导致结构整体破坏,所以在结构设计中,必须对结构平面布置不规则扭转问题提起足够重视。

一、关于平面不规则结构的定义

1、若干规范关于平面不规则结构的定义

关于结构规则与否的定义及规定,不同国家的标准出发点是不相同的。欧洲规范比较定量地规定了规则结构的指标,如表1所示[3]。美国规范和澳大利亚规范却从相反的角度定义了结构的规则性,即不规则结构的量化指标,如表2所示。

类型 定义

平面

规则

准则 建筑结构在平面内沿两正交方向上侧向刚度和质量分布接近对称

平面轮廓简洁紧凑,即无诸如H,L,X等形状,总的凹角或单一方向凹

入尺寸不超过对应方向建筑总外部平面尺寸的25%

楼板平面内刚度同竖向结构的侧向刚度相比足够大,以致于楼板变形

对竖向结构构件间力的分配影响很小

在采用基底剪力法给出地震力的情况下,加上偶然偏心,任一楼层沿

地震作用方向的位移不超过平均楼层位移的20%

表1规则结构的准则

2、不对称与不规则之间的关系

如前所述,关于不规则结构的定义,目前为止尚无明确严格的定义。但不对称结构较为严格意义上的定义为,结构自由振动的某一振型同时出现平动与扭转振型,即平动与扭转振型耦联,对应的平动振型方向因子及扭转振型方向因子均不为零时,即为不对称结构。从结构分析和设计的要求出发,以对称与不对称结构分类,实际的工程意义似乎不大,因为客观上存在的大量不对称但经过结构布置调整的建筑,其振动特性仍与对称结构类似,可以归入规则结构,而其余的则归入不规则结构。我国规范规定了平面不规则的三种类型,凡符合至少其中任意一条的结构均为不规则结构的范畴。需要指出的是,扭转不规则的定义是在刚性楼盖假定的前提条件下得出的。换句话说,即便是不对称结构, 但由于其不对称性较弱,算得的扭转位移比小于规定值1.2时,仍可归为规则结构。由此可见,不对称结构规则与否,不仅与其形状的对称性强弱有关,而且与其质量分布和刚度分布密切相关。也就是说,结构的对称性是一个综合的概念,包含平面形状的对称,质量、刚度的对称等,这些因素决定了结构的规则性问题。而这正好与前述若干规范关于不规则结构的定义实质是一致的。更为严格或更为科学的说法应该采用规则与不规则的说法,而不是对称、不对称的概念。

非规则类

型和定义 美国规范 澳大利亚规范

扭转非规

则性―――当

横隔板为

非柔性时 当垂直于某轴线结构物一端的最

大层偏移大于结构物二端层偏移

平均的1.2倍时,则应考虑扭转的

非规则性。在计算端最大层偏移

时,要考虑偶然扭矩的影响 当结构的重心与刚心之间

的距离大于沿地震力作用

方向结构尺寸的10%时

则应考虑扭转的非规则性

凹角 结构物的平面外形及其抗倒向力

体系具有凹角,且凹角两边的突出

部分均大于该方向结构物平面尺

寸的15% 同上

横隔板

不连续 横隔板突然不连续或刚度变化,包

括挖去的或开口的面积大于横隔

板毛面积50%或某楼层到相邻层

的横隔板有效刚度的变化大于50% 同上

平面

外分支 侧向力路线不连续,例如,垂直单

元的平面外分支 同上

不平

行的体系 垂直抗侧力单元与抗侧力体系的

主正交轴不平行也不对称 同上

表2结构的平面非规则性

二、关于扭转效应产生的原因分析

1、外来干扰。地震波通过地面时的运动是极其复杂的,各点的周期和相位是不同的。由于地面质点间运动的差别,可使地面的每一部分不仅产生平动分量,而且也产生转动分量,这种转动分量迫使结构产生扭转振动和扭转效应,而不论结构对称与否。

2、建筑结构自身的特性。在一般的结构抗震分析中,通常是将建筑结构简化成平面模型,分别在其两个主轴方向进行计算严格来说,这样的分析方法只适用于质量中心和刚度中心相重合且在一条直线上的四平八稳、庄重对称的建筑结构。而对体型多样化、质量中心和刚度中心不重合的不规则结构显然是不适用的。这主要是因为地震时作用在质量中心的惯性力将对刚度中心产生扭转力矩,迫使结构产生扭转耦联的空间振动。

三、关于扭转效应的控制

1、有关扭转不规则的相关讨论

为了控制结构的扭转效应,我国《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》均规定了结构的位移比限值后者同时还给出了周期比的控制指标。文献[4]指出了规范判别结构扭转不规则的位移比计算方法―――完全平方和的不尽合理之处,相应给出了三种补充计算方法,并通过实例验证了补充方法的可靠性和有效性。文献[5]详细分析了耦联反应及相对偏心距、平动周期与扭振周期的比值对扭转效应的影响,但它采用的是一阶振型,没有考虑高阶振型的影响。文献[6]指出:国内外有关抗震规范均未提到结构各楼层在地震作用下产生的楼层(构件)扭转角度对竖向构件造成扭转所带来的不利影响,也没有提出层间扭转角的限值及如何控制的措施。文中给出了扭转位移比与层间扭转角的关系、楼层扭转角的计算方法、竖向构件的扭矩计算方法以及抗扭计算。文献[7]指出了《规范》及《规程》中关于扭转不规则判别界限存在的问题,提出用楼层转角来反映框架结构及框剪、剪力墙结构的扭转不规则实际状况,并给出了各自作为判别扭转不规则界限的楼层转角值。需要指出的是,文中给出楼层转角界限值时没有考虑楼层层高的变化及剪力墙厚度的变化所带来的影响。

2、扭转效应的控制方法及措施

归结起来,有关扭转不规则的相关条款和控制指标为位移比和周期比及偶然偏心距的考虑。周期比的控制,是从结构的自身性能来考虑,以确保结构具有相当的抗扭刚度。而位移比的规定,是从另一个侧面来反映结构是否规则、对称,结构中的质量刚度是否均匀。规范与规程之所以采用位移比控制指标,主要是由于结构的刚心和质心位置都无法直接定量计算。需要明确的是,单单从位移比来判断结构为扭转规则或扭转不规则是不太合理的,规范规定的控制指标是否合理也的确值得商讨,该结论也从相关文献中可以得出。

四、结语

随着建筑功能的多样性和城市发展的需要,不规则建筑结构大量涌现。按照抗震规范及高规的要求,建筑的方案设计和结构设计要求具有规则性,即:从平面、立面、剖面及结构布置等都要满足规则性。之所以把结构分为规则结构和不规则结构主要是因为不同的结构在地震作用下的受力特点和震害特点不同,从而更好地对不规则结构进行抗震设防和抗震设计。尽管对于结构的规则性规范也给出了一些定量的指标,但由于引起不规则的因素比较复杂对于不规则的准确界定及具体指标仍然存在不足之处。文中试图在规范的基础上进一步做些探讨工作,试图澄清并总结不规则结构的特点。不规则结构基本上可以分为平面不规则和立面不规则两大类。文中在以上主要讨论平面不规则结构,并就不规则结构的扭转效应进行进一步的探讨。