鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法及控制措施

宋 琨

(北京翰時(shí)建筑設(shè)計(jì)有限公司 北京 100052)

一、引言

隨著城市的大力發(fā)展，人口密度越來(lái)越大，為滿足人類生存等多方面的需求，城市建設(shè)中也出現(xiàn)了越來(lái)越多的高層及體型不規(guī)則建筑。歷次震害表明[1-3]，不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，在地震中會(huì)出現(xiàn)較為明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞甚至倒塌，造成難以估量的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

二、建筑物扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制指標(biāo)

(一)位移比

(1)

式中，α—結(jié)構(gòu)的位移比；L1、L2分別為建筑最小位移和最大位移。

我國(guó)《抗規(guī)》和《高規(guī)》中對(duì)位移比的計(jì)算是基于強(qiáng)制剛性樓板假定，并考慮偶然偏心的條件下計(jì)算得到的。對(duì)于偶然偏心的大小，《高規(guī)》給出了公式：ei=±0.05Li

(2)

式中，ei—第i層質(zhì)心偏移值(m)，各樓層質(zhì)心偏移方向相同；

Li—第i層垂直于地震作用方向的建筑物總長(zhǎng)度(m)。

同時(shí)，我國(guó)《高規(guī)》也對(duì)建筑位移比提出了限值，A級(jí)高度建筑的位移比不宜超過(guò)1.2，不應(yīng)超過(guò)1.5；B級(jí)高度建筑以及高度超過(guò)A級(jí)的混合結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑，其位移比不宜大于1.2，且不應(yīng)大于1.5。但當(dāng)樓層的最大水平位移不大于其位移角最大限值的40%時(shí)，其位移比可適當(dāng)放松至1.6。

由此可以看出，建筑物的扭轉(zhuǎn)程度，與結(jié)構(gòu)類型和建筑高度有密切關(guān)系，當(dāng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度很大，地震作用下水平位移相對(duì)很小時(shí)，結(jié)構(gòu)抗震性能也會(huì)滿足要求，此時(shí)可適當(dāng)放寬對(duì)位移比的要求。

(二)周期比

徐培福[4]等在僅考慮一階側(cè)向陣型與一階扭轉(zhuǎn)陣型的相互作用下，并通過(guò)TBSAP有限元的驗(yàn)證，得出在周期比Tt/Tl小于1.3時(shí)，可忽略高階陣型的影響，并得出結(jié)構(gòu)頂部相對(duì)扭轉(zhuǎn)響應(yīng)θr/u的近似公式：

(3)

(4)

為清楚起見(jiàn)，可將式(3)表示如下：

(5)

我國(guó)《高規(guī)》在前人研究的基礎(chǔ)上，給出了結(jié)構(gòu)周期比的限值，對(duì)A級(jí)高度的建筑，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一周期Tt與平動(dòng)為主的第一周期Tl之比不應(yīng)大于0.9；對(duì)B級(jí)高度以及超過(guò)A級(jí)的混合結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，周期比不應(yīng)大于0.85。由此可以看出，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)周期比的控制，可以使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度不致過(guò)小，以此來(lái)限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

三、建筑物扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制措施

(一)概念設(shè)計(jì)

保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠度，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最主要任務(wù)。目前我國(guó)所采用的抗震設(shè)防烈度，是在以往地震經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段的基本國(guó)情制定的，然而在某些地區(qū)，依然有可能發(fā)生超過(guò)當(dāng)?shù)卦O(shè)防烈度的強(qiáng)烈地震，比如2008年的汶川地震，汶川等地按6度或7度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，而實(shí)際地震烈度高達(dá)8-11度[6]。按我國(guó)規(guī)范進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，也只是選取幾條實(shí)際地震記錄和人工模擬的加速度時(shí)程曲線，這樣的模擬結(jié)果依然是通過(guò)小樣本來(lái)估計(jì)地震效應(yīng)，所以以目前對(duì)地震的認(rèn)識(shí)水平，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)物在未來(lái)地震作用下的抗震能力，尚難以做到。因此，應(yīng)著眼于抗震概念設(shè)計(jì)，再輔以必要的計(jì)算和構(gòu)造措施，從根本上消滅結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，才能設(shè)計(jì)出具有良好抗震性能的建筑。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的設(shè)計(jì)思想和原則，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計(jì)起到了關(guān)鍵作用[5]。

根據(jù)我國(guó)《抗規(guī)》的要求，在選擇建筑場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程需要和地震活動(dòng)情況，對(duì)抗震地段做出綜合評(píng)價(jià)，對(duì)不利地段應(yīng)考慮避讓，無(wú)法避讓時(shí)，應(yīng)采取有力措施；對(duì)危險(xiǎn)地段，嚴(yán)禁建造甲乙類建筑，不應(yīng)建造丙類建筑。同時(shí)，要選擇合理的建筑形體和布置，平立面要簡(jiǎn)單對(duì)稱，減少結(jié)構(gòu)偏心，以此來(lái)限值結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，并使周期比更易滿足規(guī)范要求。

四、總結(jié)

本文通過(guò)歷次震害的經(jīng)驗(yàn)，指出建筑物在地震中遭受破壞與結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)之間的關(guān)系，并通過(guò)規(guī)范提出對(duì)結(jié)構(gòu)位移比和周期比進(jìn)行控制，使結(jié)構(gòu)不致產(chǎn)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)，并提出對(duì)建筑物扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制措施，結(jié)合規(guī)范要求，從抗震概念設(shè)計(jì)的角度，指出建筑物在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取的措施。