偏心裙房高層建筑非規(guī)則結構的抗扭設計分析及實例

摘 要：針對偏心裙房高層建筑非規(guī)則結構在地震作用下抗扭能力較弱，影響建筑整體安全性和穩(wěn)定性的問題，本文以某建筑工程項目為例，對其進行抗扭設計分析及實例研究，并對偏心結構彈性扭轉反應規(guī)律進行分析，結合分析結果，通過加強邊榀、調整強度偏心與軸壓比限值以及設計豎向構件抗扭，提高結構抗扭性能。將優(yōu)化后的非規(guī)則結構應用到偏心裙房高層建筑中可以有效提高建筑整體穩(wěn)定性。

關鍵詞：偏心；裙房；高層建筑；非規(guī)則結構；抗扭

中圖分類號：TU 97" " " 文獻標志碼：A

隨著社會的進步，人民群眾的生活水平和對建筑物的美學、質量和性能的要求逐步提高。為達到建筑設計中的立面優(yōu)化效果，大部分建筑會采用不規(guī)則的設計方式，但不規(guī)則的建筑結構存在質心偏離中心的問題，建筑的剛性中心未在設計平面上，使建筑在外部荷載條件下，容易出現扭轉問題，在歷次強震中，很多不對稱結構的房屋都受到了嚴重的損傷，甚至倒塌，給人民的生命和財產帶來了很大損失[1]。

從結構力學角度出發(fā)，由于構件在剪切破壞過程中具有脆性，因此，當前的結構設計都是以小震結合內力為基礎設計的，當中、大震時采用“強柱弱梁、強剪弱彎”的結構構型，增強結構的延性和耗散地震能量。中、強地震時，扭轉效應會增加垂直構件的剪力，使其無法承受水平剪力，導致脆性剪切破壞，甚至整體坍塌。當地震荷載作用下的水平剪力超過了墻體和柱子的承載能力時，會形成“弱剪強彎，弱柱強梁”的結構體系，其耗能能力明顯下降，易導致結構的脆性破壞[2]。為解決該問題，提高不規(guī)則建筑結構的綜合抗震性能，須在設計中對結構扭轉效應進行控制與關注，本文將以某高層結構建筑為實例，對結構的抗扭進行設計。

1 項目實例

為解決建筑扭轉問題，以某地偏心裙房高層建筑為實例，進行如下研究。此建筑的基本概況見表1。

目前采用框架結構對工程項目進行設計，當無法保證建筑整體結構的抗震、抗風性能滿足需求時，需要輔助剪力墻結構作為支撐。由于剪力墻在主體結構中承受了大量的剪力，因此，可以確認與常規(guī)的框架結構建筑相比，剪力墻結構的建筑具有良好的抗震性能，通常剪力墻數量越多的建筑質量越高，但是剪力墻數量太多，會對空間分布產生一定的影響[3]。為保證建筑設計的美觀性，可在設計中，按照“均一、分散、對稱和周界”等原則，對該建筑的布局方案進行設計。同時，在中間的電梯井周圍設置鋼筋砼剪力墻，將其作為主體結構中的主要抗側力構件。

2 偏心結構彈性扭轉反應規(guī)律

地震災害研究表明，不對稱、不規(guī)則結構在強震下容易失效且具有明顯的扭轉損傷特性，不對稱結構抗扭轉設計是保障建筑抗震安全性的關鍵。高層結構的側向剛度，尤其是扭轉剛度，一直是設計方的關注重點。在此情況下，外墻和垂直剖面應盡量規(guī)則化，側移剛度應均一化，防止抗側力結構發(fā)生建筑主體結構側移剛度突變。然而，在實踐中，很多建筑因其形式和功能等因素，達不到規(guī)范規(guī)定的“規(guī)則建筑”要求。由于質心和剛心的不同步，因此扭轉效應更明顯[4]。如果建筑結構中每層的質心都與其剛度中心重合，但不在同一豎直軸線上，就會產生平移地震效應。

為更直觀地對偏心結構扭轉進行分析，可采用建立動力學方程的方式，對偏心結構彈性扭轉反應規(guī)律進行分析。在此過程中，可假設多層偏心裙房高層建筑有3個自由度，建立多層偏心結構的計算簡圖如圖1所示。

在明確建筑結構形式的基礎上，建立針對此建筑的阻尼運動微分方程，如公式（1）所示。

{M}+{C}+{K}{X}=-{M}" （1）

式中：{M}為建筑結構體系的廣義質量矩陣；為建筑結構體系中軸線向量；{C}為建筑結構正交矩陣；為建筑一折線形軸；{K}為建筑結構體系的剛度矩陣；{X}為建筑結構體系的位移向量；為建筑結構體系的地面運動加速度時程。

在此基礎上，應明確偏心裙房高層建筑通常存在偏心情況復雜的問題，為滿足計算需求，構建偏心結構彈性計算模型，如圖2所示。

圖2屬于4×3跨的框架結構，對圖2中的1、2、3分別對應的位置進行均勻剛度偏心設計，設計對應位置的偏心率為0.16、0.08和0，在此條件下，規(guī)則結構的非偶聯周期比值的取值為0.8。以此為基礎，輔助Sap2000V11.0計算軟件，在地震應力作用下，計算x、y和θ這3個方向上的扭轉分量，如公式（2）～公式（4）所示。

（2）

式中：γj（x）為偏心結構在地震應力作用下，x方向上的扭轉分量（位移）；其中j為第j榀；mi為第i層建筑的質量系數；Xj（i）為建筑結構橫向振型參與系數；Yj2（i）為建筑結構縱向振型參與系數；Ji為振型；Φj2（i）為抗側力組件剛度矩陣。

（3）

式中：γj（y）為偏心結構在地震應力作用下，y方向上的扭轉分量（位移）。

（4）

式中：γj（φ）為偏心結構在地震應力作用下，θ方向上的扭轉分量。

按照上述計算公式，根據公式中γj（φ）、γj（x）和γj（y）與各參數間的關系，掌握扭轉分量的變化趨勢。對偏心結構彈性扭轉反應規(guī)律進行綜合分析。

3 偏心裙房高層建筑非規(guī)則結構抗扭實例設計

3.1 加強邊榀

針對上述偏心裙房高層建筑，為對非規(guī)則結構的抗扭進行設計，對偏心結構彈塑性扭轉角進行有效控制，增加邊榀構件的強度，達到提升剛度的目的[5]。當邊榀構件的剛度提高后，其結構會逐漸進入彈塑性狀態(tài)中，當強度較大時，屈服后剛度會相對更大，以此可以提高抗扭剛度，從而減少扭轉反應。通過強化邊榀柱強度，不僅可以達到強柱弱梁的效果，還可以提高結構抗扭性能。通常屈服曲率和截面高度存在反比例相關的關系，邊榀構件將首先屈服，其曲率的延性可能超過規(guī)定要求。而利用不增加邊榀構件截面使其強度增加的方式可以有效避免上述問題[6]。邊榀構件的截面與中間構件相比更小，因此中間構件會先屈服，在屈服后平扭周期比向著更有利的方向發(fā)展，而邊榀構件的屈服較晚，由于邊榀構件強化的配筋，使其屈服后剛度更大，因此對非規(guī)則結構抗扭十分有利。

地震時的情況具備不確定性，因此為提高非規(guī)則結構的抗扭性能，尤其是扭轉柔性結構邊榀豎向構件的承載力，需要在考慮偶然偏心的基礎上乘以一個增加系數，該系數通常設置在1.2～1.4。邊榀柱增強后層間扭轉角變化對比如圖3所示。

從圖中可以看出，當未放大邊榀時，各層間的扭轉角變化較大，而層間扭轉角變化最小的加強方案為邊榀柱放大1.4倍，其他柱放大1.2倍。

3.2 調整強度偏心與軸壓比限值

采用適當調整強度偏心距的方式，也能極大程度地減少非規(guī)則結構的扭轉效應。當以剛心為原點的設計強度偏心距為剛性、質心靜力偏心距為1.5～1.6倍時，扭轉反應最小。在此基礎上，結合能力設計原理，采取強柱弱梁措施，保證結構不會出現柱鉸。為避免柱鉸產生，可以從以下幾方面考慮：首先，由于存在軸力，框架柱的延性能力低于框架梁，因此在地震情況下，很難滿足高延性需求。其次，柱鉸將引起層間的有害變形和二次效應增加[7]。最后，柱鉸處發(fā)生嚴重破壞，將使柱失去承載能力。完全形成強柱弱梁的難度較大，若將超強系數設置為2.5，則強柱系數過大會造成柱中縱筋和箍筋過多，不僅會對施工帶來極大困難，還會產生更多的成本，采用一個適當的強柱系數，形成以梁鉸為主的梁柱鉸機制更可行[8]。為保證非規(guī)則結構在梁柱鉸機制下具備較好的抗扭性能，在規(guī)范柱軸壓比限值的基礎上，將柱軸壓比控制在最小。

考慮強震下柱結構容易出現小偏壓的狀態(tài)，結構在大震作用下，中柱軸力基本不會發(fā)生改變，如圖4所示。

邊柱和角柱的軸力會發(fā)生較大的改變，因此在規(guī)范的限值中，基本可以確保中柱在強震中不會出現小偏壓破壞的情況。以上研究沒有考慮垂直地震的影響，但在近震區(qū)，垂直地震的影響不容忽視，很多近震區(qū)和極震區(qū)的崩塌現象都與垂直地震有關。由于垂直方向上的地震作用影響，因此結構的動力響應十分復雜。在工程設計計算中，通常不會將其考慮在內，但在結構方面，必須保障其安全性。

3.3 豎向構件抗扭設計

在地震作用下，一旦按照現有規(guī)范設計的偏心結構進入彈塑性狀態(tài)，其扭轉角度將進一步變大，尤其對變形較大的結構，其扭轉角度將會更大，因此，扭轉角度對抗扭能力的影響是亟待解決的問題。因為層間扭角的存在，所以層間扭角使垂直構件在受壓、受彎和受剪的情況下會承受更大的扭力，從而對其抗剪和抗彎承載力造成了不利的影響，需要在設計過程中予以充分考慮。

在扭矩參與到構件復合受力承載力的計算過程中，混凝土施工規(guī)范要求提出相關計算公式，只有在抗震組合下需要在抗力項除以承載力抗震調整系數。構件的扭轉角的計算過程非常簡單，在使用樓板剛度假定的前提下，計算模型中每層都有一個扭轉自由度，因此可以直接得到每一層的轉角，相鄰的兩層相減即可得到特定某一層層間的扭轉角，計算該層構件的扭矩如公式（5）所示。

Tji=θti+Ktji" " " （5）

式中：Tji為第i層中構件j的扭矩；θti為第i層層間扭轉角；Ktji" 為第i層豎直方向上構件j的層抗扭剛度。

當滿足混凝土規(guī)范時，可不考慮構件扭矩對承載力造成的影響，不計算受剪扭承載力。在框架和框—剪力墻結構中，通常認為結構的抗扭性能主要來源于各抗側構件構成的整體抗扭剛度，而矩形構件本身的抗扭剛度是有限的，尤其在出現裂縫后，其抗扭剛度會大幅下降。在這種情況下，在桿件中所受的力矩將隨著彈塑性的發(fā)展而減少。除此之外，偏心越大位移比越大的構件，在大震作用下的扭轉越大，所引起的構件扭矩也越大。為使大震作用下結構不剪切失效，應結合位移比的大小，適當放大小震作用下的扭矩，以此加大扭轉屈服變形，提高結構抗扭性能。

4 結語

扭轉是建筑結構失效的最主要原因，增強其抗扭剛度和提高抗扭性能，是有效避免地震對建筑結構安全性與穩(wěn)定性造成影響的關鍵。為規(guī)范化建筑結構設計，本文以某建筑為實例，進行了此次研究，希望能通過研究，為不規(guī)則建筑的抗扭設計提供全面幫助，以這種方式，提高偏心裙房高層建筑的抗震水平，保障建筑結構在地震環(huán)境下的安全性。

參考文獻

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