L形高层建筑扭转效应控制

石跃兵 王泽云 ,陈鹏旭

（西华大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610065）

L形高层建筑扭转效应控制

石跃兵1王泽云2,陈鹏旭2

（西华大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610065）

本文分析了造成扭转效应的主要原因，以及当前的扭转振动效应理论。探讨了《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）（以下简称《高规》）对于扭转效应控制的要求。通过SATWE软件计算分析L形建筑工程实例的周期比和位移比，最后提出了对于扭转效应控制的一些建议。

高层建筑结构 扭转效应 周期比 位移比

随着建筑行业的迅猛发展，普通而简单的平面结构布置形式已经不能满足人们的需求，各种平面形式的建筑应运而生，其中就包扩对抗震不利的平面为 L形的建筑。L形建筑在几何上不对称，导致 L形建筑的偏心率较大，扭转效应大。对于L形建筑的结构设计人员来说应该要特别注重对于结构扭转效应的控制。

1 造成扭转效应的主要因素

当前，我们在考虑建筑结构在地震作用时的扭转效应时，主要考虑以下四个方面因素：（1）地震动本身包含有转动分量；（2）双向地震作用，当结构进入非弹性阶段，在双向水平地震作用下，本来是对称的结构，也会出现随变形形态而变化的偏心；（3）建筑结构自身在平面内质量中心和刚度中心不重合；（4）偶然偏心，由于施工、使用、设计理论模型偏差等不确定因素引起的在地震作用下的扭转振动。

2 扭转效应理论

对于扭转效应的理论研究在文献[1]中引入了 /r uθ ：即结构顶部相对扭转效应,并给出了其近似计公式：

图1 θ r /u～ Tt /T1关系曲线

3 《高规》对于扭转效应控制的要求

《高规》[3]主要是通过第（3.4.5）条和第（4.3.3）条的规定来实现对于扭转效应的控制的。其中第（3.4.5）条主要是对于周期比和位移比的要求，第（4.3.3）条主要是对于偶然偏心的要求，对于这两条规范的详细规定读者可自己查阅相关规范这里不再赘述。

4 工程实例

某地10层酒店采用L形平面布置，酒店层高为3.3m无地下室，建筑高度为33m,建筑平面总长为42m,建筑平面总宽为31m,建筑抗震设防烈度为7度(0.1g)，设计地震分组为第一组，II类场地，初步设计只在凹处的楼梯间和电梯间处设置剪力墙如图2所示。

图2 L形酒店方案一

图3 L形酒店方案二

采用SATW对图2结构平面布置形式建筑模型进行水平地震作用计算。在考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、转角、扭转系数如下表：

振型号 周 期 转 角 扭转系数1 1.2991 90.02 0.94 2 1.0146 52.27 0.04 3 0.9046 143.91 0.02

考虑偶然偏心情况，采用强制刚性楼板假定，地震作用规定水平力下作用下结构最大位移比为1.74，计算得到的楼层X、Y方向的最大层间位移角分别为1/2125和1/1735（规范限值为1/800）。

周期比情况分析，该结构周期比为1.12991/1.0146=1.28＞0.9,不满足规范要求(A急高度不应大于0.9)，由式(3.2)周期比的定义可知造成周期比偏大的原因是抗扭刚度和抗侧移刚度的相对大小不满足要求，同过分析X、Y方向的最大层间位移角大小(与规范限值差距不大)以及扭转周期为第一周期可知，造成周期比过大的原因是结构的抗扭刚度不足而非抗侧移刚度过大。因此后面的结构调整主要是增加结构的抗扭刚度。

位移比情况分析，该结构在考虑偶然偏心地震作用及强制刚性楼板假定的情况下，规定水平力下作用下结构最大位移比为 1.74，《高规》要求不宜大于 1.2，不应大于1.5（A级高度）。该结构的位移比不满足规范要求，由式(3.1)可知造成位移比过大的原因有偏心率和周期比，SATWE计算得到每层楼的偏心率均为Eex = 0.2215和Eey = 0.0465，虽然混凝土结构对于偏心率没有明确的限值要求，但参考《高层民用建筑钢结构技术规程》[4]对于偏心率的要求(偏心率超过 0.15为平面不规则)可以定性的分析出 Eex过大，在后面的调整中要注意偏心率的调整。初步调整后的结构平面布置方案二如图 3所示，主要的调整是增大结构的外围刚度，同时适量减少结构中心的剪力墙数量，减小内部刚度。

采用SATW对图3结构平面布置方案二进行水平地震作用计算，考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、转角、扭转系数如下表：

振型号 周 期 转角 扭转系数1 0.9799 82.74 0.26 2 0.9208 179.56 0.04 3 0.8288 107.28 0.69

考虑偶然偏心情况地震作用，采用强制刚性楼板假定，规定水平力下作用下结构最大位移比为1.40，计算得到的楼层X、Y方向的最大层间位移角分别为1/1897和1/1578。

通过调整后结构的周期比为0.8288/0.9799=0.85＜0.9满足规范要求，最大位移比为1.4＜1.5满足规范要求，但仍偏大还可以继续调整。SATWE计算得到每层楼的偏心率均为Eex = 0.1515和Eey = 0.0115，由此可知在此时偏心率基本满足要求，但仍然可以再做优化。

为了找到结构刚度薄弱方向可通过查看结构整体空间振动简图，如图 4所示为结构的Y向的平动振型。由图可看出结构的Y向平动振动并不纯粹，而且可以看出L形结构平面的左上部分偏薄弱，该部分需要进一部加强。采用如图5所显的结构布置方案。

图4 结构Y向平动振型

图5 L形酒店方案三

图6 结构Y向平动振型

图6调整后的Y向平动振型，在增加剪力墙后Y向平动振型的纯粹性得到明显改善，结构的刚度分布均匀性也得到改善。调整后结构的周期比为0.86，同时，结构的最大位移比由1.4变为1.21。

小结，对于结构周期比、位移比等参数不满足规范时要具体问题具体分析，从整体上考虑问题，不要只着眼于单一参数，要综合考虑各参数之间的相互影响，综合分析后得出扭转效应过大的本质原因。

5 结束语

1、任何建筑结构都不可避免的存在潜在的扭转效应，对于结构设计人员而言要对结构扭转效应的控制要有足够的重视。

2、笔者认为对于两个正交方向刚度差别很大的结构在周期比满足规范要求的情况下，结构设计人员要适当的考虑平动为主的第二自振周期与扭转为主的第一自振周期之间的比值。

3、对于位移比不满足规范要求的结构，可通过综合调节偏心率和周期比两个参数来调节。

4、对于周期比不满足规范要求时可通过调节抗侧刚度和抗扭刚度的比值来进行调整，还应注意的是，我们不要只是调节刚度之间的比值，对于某些工程而言调节质量和转动惯量比值的调整可能会达到更好的结果。

5、对与结构的刚度薄弱部位可以通过SATWE提供的结构整体空间振动简图中查看，通过该图还可以让设计者清楚的判断振型的性态和结构的薄弱方向。

[1]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，第16卷第一期2000年2月.

[2]W.K.Tso.Torsions in Multistory Buildings.The third conference on tall building[R].HongKong,Guangzhou,1984.

[3]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.

[4]JGJ99-2014高层民用建筑钢结构技术规程. [S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

TU375;TU311.3

A

1007-6344（2015）09-0279-02