不规则高层建筑抗震设计中的问题与建议

王家轩

湖北华顶建筑工程有限公司技术部（431700）

0 前言

随着我国经济和城市建设的蓬勃发展,城市的高层建筑如雨后春笋般纷纷出现,其中不乏一些标新立异、新颖别致、独树一帜的建筑。如北京的国际宾馆、鸟巢、水立方、长城饭店、希尔顿饭店等。一方面，这些建筑的出现给城市增添了一道亮丽的风景线，另一方面，这些建筑的结构设计对工程设计师们提出严峻考验。在遵循规范准则的同时，设计不规则高层建筑结构和抗震功能，是工程设计师们所面临的一道难题，也是工程设计中的重中之重。

1 不规则性高层建筑结构设计的主要特点

各种不规则高层建筑的结构特点主要有:扭转不规则、凸凹不规则、楼板局部不连续、侧向刚度不规则、竖向值骤变、竖向抗侧力构件不连续，竖向抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递、楼层承载力突变、结构的周期比过大、复杂高层结构，带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构、连体结构、多塔楼结构等。

2 高层建筑抗震结构设计的基本原则

首先，结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性等方面的性能。结构构件应遵守“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件、强底层柱(墙)”的原则；对可能造成结构的相对薄弱部位，应采取措施提高抗震能力；承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。其次，应尽可能设置多道抗震防线。一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。强烈地震之后往往伴随多次余震,如只有一道防线，则在第一次破坏后再遭余震，将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构抗震性能，避免大震时倒塌。此外，对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。构件在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载能力分析是判断薄弱部位的基础。要防止在局部上加强而忽视了整个结构各部位刚度、承载力的协调。在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，是提高结构总体抗震性能的有效手段。

3 不规则高层建筑在地震中结构扭转振动的原因分析

国内外历次震害表明,平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭转刚度太弱的建筑结构，在地震中最易受到严重破坏。如1976年唐山地震时，位于天津市的一幢平面L形建筑产生了强烈的扭转反应，导致严重破坏。对平面不规则高层建筑结构在水平地震作用下的扭转效应计算和抗扭设计是一个迄今为止仍有不少争议且使结构工程师困惑的问题[1]。为避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应对建筑结构的扭转效应，应限制建筑结构平面布置的不规则性。此外，还应限制建筑结构的扭转刚度（不能太弱）。国内一些振动台模型试验结果表明,扭转效应会导致建筑结构的严重破坏。实验结果提示，关键因素是限制扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。当两者接近时,由于振动耦连的影响,结构的扭转效应明显增大。水平地震作用下不规则结构的平动与扭转之间的耦联问题、不规则结构的扭转周期与位移存在什么关系，都是工程抗震设计中有待解决的问题。

3.1 产生扭转振动的因素

基于传统的同步激励抗震理论,即假定结构各支点具有相同的地震动[2]。一般认为，地震时引起不规则结构扭转振动的因素有:外加的扭转地震输入、结构自身质心和刚心不重合,以及在施工和使用过程中的偶然偏心。外加的扭转地震输入主要指地震动本身的转动分量，但是由于强震观测水平的限制,目前仍然缺乏可靠的地震动扭转分量的记录。结构质心和刚心的不重合是由于结构的不对称不规则引起的；引起的因素很多,如荷载分布的不均匀，材料强度的分布不均匀等。为有效提高扭转刚度，应尽可能合理地布置具有较高抗扭刚度的构件在结构的适当位置。其次，结构抗扭刚度不能太弱，关键是限制结构扭转为主的第1自振周期Tt与平动为主的第1自振周期T1之比。当二者接近时，结构的扭转效应明显增大。抗震设计中应采取措施减小Tt/T1的比值，使结构具有必要的抗扭刚度[3]。

3.2 扭转角和周期比的关系

在水平地震作用下，结构任一振型不管是平动为主，还是扭转为主的地震反应，不仅各楼层产生平动位移，同时也将产生耦联扭转位移，因此结构的扭转位移效应实际上与各振型的自振周期均有关，尤其与产生最大扭转位移的振型有关。

3.3 扭转位移比的控制

文献[4-6]指出，在考虑偶然偏心影响的地震作用,A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。

3.4 周期比和扭转位移比的控制

结构扭转第1自振周期与地震作用方向的平动第1自振周期之比值，对结构的扭转效应有明显影响，当二者接近时，结构的扭转效应显著增大[7]。文献[4]中对结构周期比的限制，其目的就是控制结构扭转刚度不能过弱,以减小扭转效应。对于周期比的控制，不同的专家有不同的意见。对于平面不规则不对称结构，考虑到平动为主第1周期的大小可能对扭转角的大小起主要作用，笔者认为控制周期比只是手段不是本质，本质是控制扭转效应即最大位移和平均位移的比，相比对周期比的控制应更加重视对扭转位移比的控制，特别是对平面不规则结构。对扭转位移比的控制，其实质就是控制了结构平面布置的不规则性。在美国规范中也只有控制位移比，没有控制周期比。

4 不规则高层建筑抗震设计建议

控制平面不规则高层建筑结构的扭转位移，对扭转效应可能较大的结构平动为主的周期，尤其是平动为主第1周期应控制其值不宜过大；对平面不规则高层长形结构，在控制扭转位移比时，在相同扭转角的情况下要充分考虑长形结构长边竖向构件,有可能因侧向位移过大而引起结构局部破坏;对平面不规则高层结构,控制结构在水平地震作用下的扭转效应，采用扭转位移比来控制更符合实际。

[1] 邓孝祥,张亢坤,唐可.平面不规则高层结构的扭转分析与抗扭设计[J].广东土木与建筑,2006,20(1):5～8.

[2] 魏琏,王森,韦承基.水平地震作用下不对称不规则结构抗扭设计方法研究[J].建筑结构,2005,2(8):12～17.

[3] GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社,2001.

[4] JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社,2002.

[5] 孙昱斌.高层建筑扭转效应的改善[J].苏州科技学院学报(工程技术版),2003,15(3):70～80.

[6] 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].建筑科学,2000,19(1):4～9.

[7] 郭建鹏.复杂体型高层建筑结构的扭转控制探讨[J].山西建筑,2006,32(11):54～57.