平面不规则结构抗震设计方法的探讨

2011-06-13查万理

科学之友 2011年9期

查万理

（贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵阳 550003）

随着社会的发展，建筑物不仅需满足多样性使用功能要求，还需满足美观性要求。由此往往设计出平面不规则的建筑物。历次震害结果表明，建筑结构在地震作用下不仅会发生水平和竖向振动，还可能发生扭转振动。平面不规则性结构的扭转振动尤其明显，扭转反应造成结构抗震性能退化，是导致结构破坏甚至倒塌的重要原因。进行结构设计时应采取措施使结构在地震作用下的反应不超过一些限定值，以保证建筑物的安全性。

1 平面不规则结构的分类和定义

1.1 平面几何形状的不规则类型

文献[1]从建筑结构的平面几何形状反映结构的不规则，即平面凹进的尺寸大于相应投影方向总尺寸的30%或楼板的尺寸急剧变化时为平面不规则结构。

1.2 不对称结构类型

这类结构平面在几何形状上称规则平面，但由于竖向抗侧力构件布置在平面的一侧或者角部，质心和刚心偏离大，在地震作用下的扭转效应十分显著。这种平面布置较严格的说可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。

1.3 扭转不规则类型

从结构的整体计算结果上，文献[1]规定楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍为扭转不规则类型。同时文献[2]从位移比和周期比上对扭转不规则进行了划分。①位移比：在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1.2倍，不应大于该楼层平均值的 1.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1.2倍，不应大于该楼层平均值的 1.4倍。②周期比：结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于 0.85。不满足条件①、②的定义为扭转不规则类型。

上述的三种不规则结构类型，进行结构计算后与动力反应相关的计算指标出现明显的扭转效应。故又可将这三种类型归为一类即扭转不规则类型。

2 抗震设计的相关概念

与抗震设计有关的概念主要有质心、刚心、强度中心、实际偏心距、偶然偏心距、平扭耦联。

2.1 质心

质心是指竖向荷载合力的作用点。结构各层的质心是所在层的竖向构件中轴向力的合力作用点。某层的质心位置不仅与本层的质量分布有关，而且与本层及其以上所有层的质量分布有关。

2.2 刚心

刚心是指沿高度按层同时作用一组水平力，使结构在整体上只发生平动而不发生转动，按层分布这组力的作用点。对单层结构的刚心位置只与竖向构件的侧向刚度和该构件所在位置的坐标值有关，与水平作用力无关。而对二层及二层以上的结构，是与水平作用力有关的。水平力沿高度分布的形式不同，得到的刚心位置可能不同。即使每层的层高、结构布置、构件尺寸相同，每一层刚心位置也是不完全相同的。目前结构刚心的确定主要有两种方法：①把多高层建筑当作单层建筑的简单叠加，忽略本层与上下层之间的影响。②在刚性楼板假定下，当结构仅在第i层受到水平力作用，仅第i层只发生平动，允许其他层同时发生转动及平动时的力的作用点。

2.3 强度中心

强度中心是指竖向构件屈服强度的分布中心。由于构件之间材料的强度差异性，强度中心常与质量中心不完全吻合。结构的强度偏心也会对结构的扭转效应产生放大作用。

2.4 实际偏心距、偶然偏心距

刚心与质心的间距为结构的实际偏心距。由于施工、使用或地震地面运动的扭转分量等因素所引起的偏心为结构的偶然偏心。文献[1]对平面规则的结构，采用增大边榀结构地震内力的简化方法考虑偶然偏心的影响。对高层建筑取各层质量偶然偏心为0.05Li（Li为垂直于地震作用方向的建筑物总长度）来计算单向水平地震作用。

2.5 平扭耦联

结构体系在水平地震作用下，如果不考虑竖向震动和扭转振动，则每个质点只有一个平动自由度，任一点的水平位移不仅与该质点本身有关，还与其他诸质点有关，这叫做振动的耦合；如果考虑水平向的扭转和平动，则每个质点有一个平动自由度和一个转动自由度，此时水平振动、扭转振动之间互相耦合，产生所谓的平扭耦联。

3 平面不规则结构在地震下的受力特点

平面不规则的多高层结构，由于质心和刚心的偏离的存在，将引起显著的平扭耦联效应，平扭耦联系统在地震作用下的基本动力特性为：①当扭转周期和平动基本周期之比Tt/T1接近于 1时，即使是几乎对称的结构在地震作用下也会表现出严重的平扭耦联。②结构承受到的动扭矩会超过水平剪力和结构偏心距之乘积。当扭平周期比接近于1时，动扭矩会成倍地增加。③平扭耦联会放大结构的地震反应，对结构边缘构件的内力会产生实质性的影响，造成边缘抗侧力构件较快地进入扭剪破坏状态。