高层建筑的扭转破坏机理与抗扭措施

彭道强，赖龙威，郭钟群，柯勇

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000;

2.江西五方建筑设计有限公司，江西赣州 341000)

高层建筑的扭转破坏机理与抗扭措施

彭道强1，赖龙威2，郭钟群1，柯勇1

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000;

2.江西五方建筑设计有限公司，江西赣州 341000)

国内外历次震害表明，建筑物因扭转破坏占地震破坏的比例非常大，随着高层建筑结构平面，立面的多样化和复杂化，不规则结构的扭转破坏问题日益凸显。为了减轻地震时的扭转破坏，本文运用satwe软件，分别采用四种方案对周边构件进行刚度调整，得出加大离刚心最远处构件的刚度，最能有效地减轻扭转效应，并根据扭转机理提出了一系列的抗扭措施为工程设计提供依据。

高层建筑;扭转效应;抗扭刚度;地震作用;抗扭措施

1 引言

随着现代物质生活的迅猛发展，人类对建筑功能和形式要求越来越多样化，随之产生了越来越多复杂体型的建筑，其中以平面不规则布置的建筑为代表［1］。然而，据专家研究发现，国内外历次大地震的震害表明，地震作用对不规则的建筑极易产生破坏，显现出明显的扭转破坏特征，结构的扭转破坏在所有的地震破坏形式中占据了相当大的一个比重［2］。如1967年7月委内瑞拉加拉加斯地震有两栋14层框架结构公寓(CYPRESSGARDEN和COVENTGARDEN)，平面为Ⅱ形都是角柱破坏说明由于扭转使层间位移增大;1972年尼加拉瓜地震中，两幢结构分布不同的高层建筑受到损害程度是完全不同的，其中采用具有抗扭结构的对称外框内筒结构的1座l8层大厦只受到轻微破坏，而另外1座l5层中央银行大厦因楼梯，电梯间和砌体填充墙集中布置在平面一端而严重破坏［3］;2008年5月12日汶川地震因不规则平面因扭转而破坏的很多。此类建筑的延性较差，在震害时因扭转效应使建筑迅速脆性破坏，严重危害人们的生命财产安全;因此在高层建筑抗震设计中，做好结构的抗扭设计是十分重要和必要的。

2 扭转破坏机理

根据图1由材料力学理论可知，横截面为圆形的直杆受扭时的物理关系切应力

图1 结构扭转示意图

3 引起结构扭转因素

3.1 外来因素干扰

地震作用的影响，客观的说，地震在地面的运动存在6个分量，即X﹑Y﹑Z三个水平分量和绕X﹑Y﹑Z轴三个扭转分量，并且绕Z轴的扭转分量直接对结构产生扭转作用。由于扭转分量很难准确监测和计算，我国结构设计除8﹑9度大跨度和大悬臂结构和9度时高层结构需考虑Z向地震作用，其他情形皆不考虑。未考虑地震作用扭转分量的工程，必然对结构安全带来隐患。

3.2 建筑结构本身平面刚度﹑质量的分布的影响

建筑质心与刚心的不重合产生的偏心距:刚心是水平力通过某个点而不产生扭转效应的点［4］。在刚性楼板假定的前提下，对于单层建筑结构刚心是不变的，然而当结构进入塑形状态时，对于多层建筑结构的刚心，由于每个构件的刚度都是变化的，所以每个楼层的刚度中心也是变化的。在地震作用时，把地震力简化为作用在质心处的集中力F，当建筑物刚心与质心不重合时，那么刚心与作用在质心处的地震力产生偏心距e，在水平地震作用下产生扭矩T =F·e，由扭矩公式可知，在地震力不变的情况下，扭矩随着偏心距的增大而增大;由于建筑材料自身特性，施工以及使用过程的影响，根据JGJ3－2010《高层建筑混凝土结构技术规程》［5］(以下简称高规)第3.3.3条规定计算单向水平地震作用时，还应考虑ei=±0.05li(l为第i层垂直于地震作用方向的建筑物总长度)的偶然偏心影响引起的附加偏心距的不利影响。

3.3 建筑结构扭转与平移振动的藕联反应产生动力放大作用

其中Tt、Tl分别为扭转第一周期和平动第一周期，kl、mt分别为结构抗侧刚度和抗扭刚度，ml、mt分别为该结构的质量与转动惯量。由(3)式可知提高构件的抗扭刚度可减轻结构的扭转效应，把抗扭刚度大的构件布置在结构适当的位置，或在刚度富余时减少抗侧刚度。又根据《高规》，水平地震作用效应(内力和位移)的计算公式为

式中SEk为水平地震作用标准值效应，Sj为第j振型水平地震作用标准值效应(通常可只取前2～3个振型)，若将SEk视为扭转角效应，则从(4)式可得知扭转角效应与扭转周期所对应的振型有关。特别是对于平面不规则结构而言，由于结构平扭藕联的存在，在任何一个平动周期中都伴随着扭转效应。当平动为主的第一振型周期远大于扭转为主的第一振型周期，则引起楼层扭转的主要因素可能平动为主的第一振型周期。所以，对于平面不规则结构，平动第一周期不宜过长。

4 工程项目实例概况

江西赣州某高层建筑是一集商业，住宅为一体的综合性大楼，建筑层数地下1层，地上32层，其中底部裙房二层，结构体系为剪力墙结构，总建筑面积约19200m2，建筑高度99.9m，地下一层为车库层高5.1m，1至2层为商业用房层高分别为4.1m和4.5m，其余为住宅层高均3m(第32层为3.5m)。本工程使用年限50年，建筑物重要性类别为丙类，安全等级为二级，地震设防烈度为6度标准设防，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g，建筑场地类别Ⅱ类，框架柱和剪力墙抗震等级为三级，地面粗糙类别为B类。

图4 方案四数值

由图5可知该工程特点是标准层平面布置为Y形，从振型图图2可以看出，模型未调整前该Y形图两侧翼缘扭转效应非常剧烈，本人从概念设计和计算设计方面入手，运用扭转原理来抵抗不规则建筑的扭转破坏。分别用下列四种方案对模型进行调整，方案一用500×500mm的柱子代替①、②、③、④处的剪力墙且删除⑤处的连梁;方案二同方案一且⑤处连梁不删除;方案三在①、②、③、④处布厚度为200mm的剪力墙;方案四建筑楼层前5层的剪力墙为250mm其余楼层的剪力墙为200mm。现分别把每个方案计算所得的数据列于下表且四个方案分别列前6个振型的数据。

表1 方案一satwe结构计算结果

表2 方案二satwe结构计算结果

图5 标准平面图

表3 方案三satwe结构计算结果

表4 方案四satwe结构计算结果

5 工程抗扭措施

(1)建筑设计时尽量使平面和立面不要过多超过不规则界限，尽量满足连续的传力路径;通过对结构平面刚度的调整，尽可能使建筑的质量中心和刚度中心重合。

(2)结构构件沿高度布置应均匀﹑连续，使结构的侧向刚度和承载力上下相同，或下大上小，逐渐减小避免其突变﹑当结构构件布置满足这一要求时地震力的传递明确且直接，有助于消除局部应力集中和过早屈服的薄弱部位，否则建筑物根部易压断倒塌。

(3)在建筑允许的条件下尽量加大建筑物最外围构件的截面刚度，或使用剪力墙﹑钢管混凝土柱﹑或在柱中加钢骨来代替普通的混凝土柱来限制剪应力从而抵抗剪力;适当加大最外围混凝土构件钢筋的配筋率来提高构件的延性，从而达到耗能的目的。

(4)利用连接梁降低不规则结构的扭转效应，加强其整体效果，控制立面的单侧内收，裙房宜采用较柔结构使其减小楼层刚度差异。

(5)运用结构概念注重“抗”与“放”，“抗”即加大远离刚度中心构件的刚度，若允许可加大剪力墙的长度﹑宽度;“放”即在结构刚度富余时减小核心筒周围或刚度中心剪力墙的长度或厚度或对其开洞(可加大第一平动周期)从而使该处产生的水平地震剪力减小。

(6)凹口深度超限的高层建筑，屋面层的凹口位置应设拉梁或拉板厚度宜加厚20mm以上，并采用双层双向配筋，建筑高度超过100m时，宜每层设置拉梁或拉板［8］，对于薄弱环节要集中使用材料，楼板和梁得的钢筋应加重﹑焊接﹑拉通，以增强其连续性，并加强颈缩范围及其附近的柱的纵筋和箍筋［3］。

6 结语

综上所述，扭转破坏是建筑遭受震害的主要因素之一，位移比﹑周期比﹑偏心率﹑是控制扭转的主要因素。因此，建筑结构设计者在对高层建筑进行设计时，一定要充分考虑建筑结构的扭转问题，严格限制构件的剪应力大小加强结构的抗扭刚度;从概念设计入手，充分考虑各方面的影响因素，运用上述抗扭措施合理布置各个构件，对薄弱部位构件的设计采取较严要求的延性构造抗震措施，严格控制工程结构的位移比﹑周期比﹑偏心率。希望本文所总结的主要措施能对减少不规则结构带来的扭转不利影响，起到抛砖引玉的作用。

［1］徐培福，傅学怡.复杂高层建筑结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005:14－15.

［2］徐培福，黄吉锋，韦承基.高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应［J］.土木工程学报，2006，14(7):4－5.

［3］魏琏，王森，韦承基.水平地震作用下不对称不规则结构的抗扭设计方法研究［J］.建筑结构，2005，16(8):35－36.

［4］林同炎，思多台斯伯利S D.结构概念和体系［M］.北京:中国建筑工业出版社，1985:27－28.

［5］JGJ3－2010.高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010:35－36.

［6］徐培福，黄吉锋，韦承基.高层建筑结构扭转反应控制［C］//第十九届全国高层建筑结构学术会议论文.吉林长春:中国建筑学会建筑结构分会，2006:18－19.

［7］蔡健，潘东辉，黄炎生.高层建筑结构扭转振动效应控制研究［J］.工程力学，2007，23(7):118－119.

［8］刘畅.地震作用下偏心结构扭转反应研究［D］.长沙:湖南大学，2006.

Torsion Failure Mechanism and Anti－torque Measures in High－rise Buildings

PENG Dao－qiang1，LAI Long－wei2，GUO Zhong－qun1，KE Yong1

(1.Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，Jiangxi，China;
2.Wufang Architectural Design of Jiangxi Co.，Ltd，Ganzhou 341000，Jiangxi，China)

The damage of earthquakes at home and abroad shows that the buildings twisted and damaged by earthquake occupy prodigious the proportion of earthquake damage.As the diversification and complication of plane and elevation in multistory building structures，the problem of twist damage on irregular structure is growing.In order to reduce the twist damage of earthquake，four schemes are adopted respectively to adjust stiffness of surrounding structure with SATWE software.A conclusion is made that to enhance the stiffness of the structure which is the farthest from the center of stiffness could effectively reduce the torsion effect.The paper proposes a series of anti－torque measures according to the torsion mechanism，which provides basis for engineering design.

High－rise building;torsion effect;torsional rigidity;earthquake action;anti－torque measurement

TU973.2+56

A

1009－3842(2011)06－0072－05

2011－06－14

彭道强(1985－)，男，江西安义人，硕士，研究方向为结构工程。E－mail:daoqiangpeng@163.com