高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計中扭轉(zhuǎn)位移比超限問題的應(yīng)對方法

羅全銳 黃培東 郭麗娟

（遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 遵義 563000）

0 引言

現(xiàn)階段我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人口大量涌入城市，為了解決住房問題，必然導(dǎo)致高層建筑逐漸增多。高層建筑由于風(fēng)荷載和地震作用放大，對于結(jié)構(gòu)平面設(shè)計以及豎向設(shè)計都有較高要求。尤其是高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計，往往成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重難點。本文以實際工程為依托，針對高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)位移比超限問題進(jìn)行分析并提出解決措施，以供參考。

1 工程概況

遵義市綏陽縣某建筑包括地下1層和地上26層（其中地上下部3層為大空間商業(yè)住宅，上部23層為普通住宅），建筑總高度86.50m。該工程占地面積1975.82m2，地上總建筑面積20620.23m2，按6度抗震設(shè)防，設(shè)計使用年限為50年。工程下部商業(yè)部分主要用途為旅舍，上部為普通住宅，故根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）要求進(jìn)行荷載取值。建筑首層平面和住宅部分平面分別見圖1、圖2所示。

圖1 建筑首層平面

圖2 住宅部分平面圖

2 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比分析

2.1 初始結(jié)構(gòu)布置

由于下部3 層為需要大空間的商業(yè)住宅，上部為普通住宅，故該工程結(jié)構(gòu)形式選定為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。圖1 顯示結(jié)構(gòu)左側(cè)裙房部分與主體結(jié)構(gòu)間形成45 度夾角，這樣很容易形成扭轉(zhuǎn)位移比偏大。圖2 顯示上部住宅部分左右也不對稱，而且核心筒部分有樓板的尺寸和平面剛度急劇變化。這些平面以及豎向的不規(guī)則都會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比。

初始結(jié)構(gòu)布置中為了防止結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比偏大，考慮將裙房角部位置的柱子和邊梁適當(dāng)加大，初始布置中先將裙房角柱設(shè)計為600mm×600mm。上部普通住宅由于核心筒部分有樓板的尺寸和平面剛度急劇變化，故在核心筒周邊樓板適當(dāng)加厚，核心筒兩側(cè)剪力墻間距較常規(guī)減小，上部普通住宅結(jié)構(gòu)布置如圖3 所示。

圖3 上部普通住宅結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比

根據(jù)此結(jié)構(gòu)初始布置，采用計算軟件YJK 按照實際荷載及構(gòu)件情況進(jìn)行建模，對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析得到結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比如見表1 所示。將表1 結(jié)果對比抗震規(guī)范[1]和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）中的要求可知，X 向在負(fù)偏規(guī)定水平力作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比為1.26，超過1.2，但小于1.4；Y 向在正偏規(guī)定水平力作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比為1.72，已超過1.4，嚴(yán)重超限。

表1 初始結(jié)構(gòu)布置條件下的扭轉(zhuǎn)位移比

3 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比超限及應(yīng)對方法分析

3.1 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比超限分析

下面以Y 向正偏規(guī)定水平力作用下扭轉(zhuǎn)位移比為例進(jìn)行分析。對軟件中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行查詢可知，扭轉(zhuǎn)位移比為1.72 出現(xiàn)在裙房第一層，如圖4 所示，在裙房左側(cè)最下端的柱子。

圖4 扭轉(zhuǎn)位移比1.72的構(gòu)件位置

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）3.4.5 條指出，其扭轉(zhuǎn)位移比為樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移與樓層平均值之間的比值。根據(jù)軟件結(jié)構(gòu)輸出可知，該柱最大層間位移為2.01，平均層間位移為1.17，故該柱扭轉(zhuǎn)位移比為2.01/1.17=1.72。

通過對平面圖的分析可知，由于該構(gòu)件本身與主體結(jié)構(gòu)成一定夾角，故而在偏心作用和規(guī)定水平力作用下構(gòu)件發(fā)生較大偏移，從而造成最大層間位移偏大。該柱兩個方向梁跨度分別為9.9m 和8m，初始模型中兩個跨度方向梁截面均為300mm×800mm，顯然梁截面偏小對該柱拉結(jié)不夠，造成最大層間位移偏大。

3.2 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比超限應(yīng)對方法

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）3.4.5 條要求復(fù)雜高層扭轉(zhuǎn)位移比不應(yīng)超過1.4，而該工程中Y 向正偏規(guī)定水平力作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比已經(jīng)達(dá)到1.72，嚴(yán)重超限，在地震作用下該柱可能會受到嚴(yán)重破壞。對汶川地震中得震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)邊柱和角柱破壞較為嚴(yán)重，這些都反映了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比超限對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞極其大[2]。因此需采取必要措施對該工程結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比超限問題進(jìn)行改進(jìn)。

該工程采取以下幾種方法，將結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比控制在規(guī)范允許限制1.4以內(nèi)。

3.2.1 加大柱截面

柱的抗側(cè)剛度為12EI/h3，由于柱高h(yuǎn) 已經(jīng)確定，要想增加柱抗側(cè)剛度主要從截面慣性矩I進(jìn)行考慮，采取措施將原來柱截面600mm×600mm 增大為800mm×800mm。修改后柱抗側(cè)剛度是初始布置柱抗側(cè)剛度的3.16 倍。通過增加柱截面增大柱剛度，從而減少柱層間位移值。

3.2.2 加大柱兩側(cè)梁截面

梁線剛度等于EI/l，初始布置時梁截面大小為300mm×800mm，修改后的梁截面大小為400mm×1000mm，修改后梁的線剛度是改前梁的2.6 倍。增強周邊框架梁線剛度可以減小該柱層間位移值，從而減小扭轉(zhuǎn)位移比。

3.2.3 設(shè)置剪力墻

雖然只需改善Y 向扭轉(zhuǎn)位移比，由于該柱所在位置裙房與主體結(jié)構(gòu)有一定夾角，故需要在柱兩側(cè)設(shè)置剪力墻，以達(dá)到增加剛度、減小該柱層間位移的目的。設(shè)置剪力墻后的模型如圖5所示。

圖5 設(shè)置剪力墻后模型

3.2.4 將樓層位移最小區(qū)域梁和柱的截面減少

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3-2010）3.4.5條指出其扭轉(zhuǎn)位移比為樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移與樓層平均值之間的比值。減小扭轉(zhuǎn)位移比既可以減少樓層豎向構(gòu)件最大的水平位移和層間位移，也可以通過增大樓層平均值。樓層平均值計算見圖6。

圖6 樓層平均值計算示意圖

樓層平均值計算公式為：（δ1+δ2）/2; 式中δ1為樓層最小位移，δ2為樓層最大位移。

通過減少樓層位移最小區(qū)域梁和柱的截面，使得該區(qū)域樓層最小位移增大，進(jìn)而增大樓層平均值，最終實現(xiàn)降低扭轉(zhuǎn)位移比。

4 調(diào)整后與初始結(jié)構(gòu)模型的扭轉(zhuǎn)位移比分析

通過上述4種方法的共同使用，查看調(diào)整后模型結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比較初始模型有了較大改善，調(diào)整后模型與之前模型的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比對比分析如表2所示。

表2 調(diào)整前后模型扭轉(zhuǎn)位移比

從表2中可以看出Y向正偏規(guī)定水平力作用下扭轉(zhuǎn)位移比有了明顯改善，已經(jīng)符合規(guī)范中不應(yīng)大于1.4的限制。同時在調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)在X 向正偏規(guī)定水平力和Y向負(fù)偏規(guī)定水平力作用下扭轉(zhuǎn)位移比略有升高，但都并未超過限制，符合規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

高位轉(zhuǎn)換的工程一般都帶有較大且平面不太規(guī)則的裙房，其扭轉(zhuǎn)位移比很容易超過規(guī)范限制。本文結(jié)合實際工程案例，針對高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的扭轉(zhuǎn)位移比超限問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了加大柱截面、加大柱兩側(cè)梁截面、設(shè)計剪力墻以及將樓層位移最小區(qū)域梁和柱的截面減少的應(yīng)對措施，將該工程Y向正偏規(guī)定水平力作用下扭轉(zhuǎn)位移比從原來的1.72調(diào)整到1.38，調(diào)整后的扭轉(zhuǎn)位移比符合要求。