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扭转效应控制在高层建筑结构设计中的应用

发布时间:2013-11-29   |  所属分类:建筑设计:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏

摘要:本文结合工程实例,论述了高层建筑结构设计扭转效应的具体控制方法,在现有结构平面的条件下,即在不改变结构体系及平面开头的前提下,通过以上几种方法,可以使结构的抗扭刚度得到明显增强,使结构的刚度中心和质量中心尽可能重合,减小结构在地震作用下的扭转效应。

关键词:扭转效应;扭转效应控制;结构设计;高层建筑

Abstract: Combining with engineering examples, the article designing high-rise torsion effect of the specific control methods, the existing structure plane conditions, that is not changing the structure system and the plane begins, under the premise of through the above several method, can wrest resistant structure stiffness obviously enhance structure stiffness center and quality center as coincidence, reduce structure in under the action of earthquake torsion effect.

Key Words: torsion effect; torsion effect control; structure design; high-rise building

中图分类号:TU973 文献标识码:A 文章编号:

一、引起结构扭转效应的因素

1外因:地震波扭转分量

实际地震波存在6 个分量, 即除X、Y、Z 三个水平分量外, 还有绕X、Y、Z 轴的三个扭转分量, 其中绕Z轴的扭转分量直接对结构产生扭矩。由于迄今为止尚无法准测测定地震波的扭转分量, 因此目前的结构抗震设计理论一般都是仅考虑X、Y 向水平地震作用,对于大跨度或者大悬臂结构还需考虑Z 向竖向地震作用, 而未考虑实际存在的地震波扭转分量的作用, 这必然对结构安全造成一定的隐患, 部分学者甚至认为地震波扭转分量的作用是造成结构破坏最重要的因素。

2 内因:质心与刚心不重合产生的偏心距

刚心是指在假设楼板为刚性的前提下,对于单层建筑结构,水平力通过某点不产生扭转效应,此点就称为刚心;而多层建筑结构的刚心一般为水平荷载和刚度分布的函数,即具有不确定性。当结构进入非弹性阶段,结构各部分构件的刚度是变化的,也就是说刚度中心也是变化的。

地震作用时,地震力可简化为集中在质心处的集中力F,当结构质心与刚心重合时,地震力F 正好通过刚心,这时将不产生扭矩;而当它们不重合时,就存在偏心距e,这时在水平地震作用下不仅产生地震力F 和扭矩T=F·e,显然扭矩T 随偏心距增大而增大,扭转效应越明显。

二、结构扭转变形分析

2.1结构扭转机理

根据材料力学可知,当一个构件受到扭矩作用时,离构件刚度中心越远的地方剪应力越大,剪切变形也越大。在整体建筑结构中,当结构受到扭矩作用时,竖向构件将承受剪力。如图1所示的一均匀对称的结构,质心和刚心重合于O点,当结构受到一扭矩T,那么将在各柱中产生F1和F2的剪力。其中离刚心远的柱受的剪力F1要大于离刚心近的柱受的剪力F2。也就是说当结构受到扭矩作用时,离刚心越远的竖向构件将承受越大的剪力。根据结构理论可知,构件的剪切破坏是脆性的;一旦由于扭转作用而使得地震作用产生的水平剪力大于竖向墙柱构件所能承担的剪力,这将导致结构竖向墙柱构件发生脆性剪切破坏,结构将可能在瞬间发生脆性破坏而倒塌。

图1 结构扭转受力示意图

2.2结构扭转变形分析

假定楼板为平面内无限刚,当结构发生平动和扭转时,将发生图2所示的变形。那么δavg=(δmax-δmin)/2 (1)

式中,δmax为按刚性楼盖假定,同一侧楼层角点竖向构件最大水平位移或最大层间位移; δmin为按刚性楼盖假定,同一侧楼层角点竖向构件最小水平位移或最小层间位移; δavg为按刚性楼盖假定,该楼层平均水平位移或平均层间位移; 令位移比ζ=δmax/δavg,将其代入(1)式,可得, δmax/δmin=ζ/(2-ζ) (2)

图2结构扭转变形示意图

三、扭转效应的控制措施

1 扭转不规则在平面不规则类别是排前位。历次大震震害表明,平面不规则、质量与刚度偏心和扭转刚度太弱的结构,在地震中受到严重的破坏。一些振动台模型试验结果也表明,扭转效应会导致结构的严重破坏。在实际工程中,由于建筑造型的要求、建筑场地的限制或建筑功能的需要,在高层建筑结构设计中,大多数结构的平面布置和竖向布置很难达到规范所要求的"规则"标准。此时,结构设计人员必须对抗侧力结构布置进行优化调整,限制结构的平面扭转效应,使其满足有关规范的要求。

2 在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构

某高层建筑,结构体系为框架剪力墙,抗震设防烈度为6度,IV类场地土,丙类建筑,地上26 层,地下1 层,总高度96m,框架、剪力墙抗震等级均为三级,采用ASTWE 程序进行设计计算。

从力学基本概念可知,构件离质心越远,其抗扭刚度就越大,所以,在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构,这样,在不增加抗侧力构件数量的基础上,可以显著加大结构的抗扭刚度。在实例中,结构布置基本均匀、对称、位移比、周期比的计算结果从略。如果将两端轴附近的剪力墙全部改为框架结构,则两端剪力墙改为框架后,抗扭刚度大大减弱,位移比增大。整个结构扭转、平动周期均增大。由于两边剪力墙同时删去,结构仍基本均匀,对称,故周期比基本不变。

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