《由某设计实例看周期比对结构扭转的影响.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《由某设计实例看周期比对结构扭转的影响.doc（6页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、精品论文推荐由某设计实例看周期比对结构扭转的影响顾春波河海大学土木工程学院，南京（210098）E-mail：摘要：论述了高规中“对 A 级高层建筑以扭转为主的第一振型周期和以平动为主的第一振 型周期比值不大于 0.9”要求的基本意义，并对一工程实例采用 push-over 方法预测了不满足 周期比要求时在地震荷载作用下可能发生的破坏形式，说明了重视周期比限值的重要性。 关键词：扭转效应，周期比，静力非线性分析，性能点中图分类号：TU318+.2随着高层建筑的日益增多、结构越来越复杂和建筑高度的日益增加，高层建筑的抗扭 性能引起人们越来越多地重视。我国高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-20
2、021（简称高规）4.3.5 条中以位移比和周期比两项指标对高层建筑的扭转性能进行控制。位移比指的是考虑偶然偏心影响时，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与楼层平均位移值的比值。其 中 A 级不宜大于 1.2 倍，不应大于 1.5 倍；B 级不宜大于 1.2 倍，不应大于 1.4 倍。周期比 指的是结构扭转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的第一自振周期 Tl 之比，A 级高度高层 建筑不应大于 0.9，B 级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于 0.85。 前者主要限制结构平面布置的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转 效应；后者主要限制结构的抗扭刚度不能
3、太弱，当 Tt/Tl 接近时，由于振动耦连的影响，结 构的扭转效应会明显增大。而当周期比 Tt/Tl 大于 0.85 以后，即使刚度偏心很小，相对扭振 效应 r / u 也会随周期比的增大急剧增加2。所以在结构设计中应采取有效措施减少周期 比，使结构具有必要的抗扭刚度。事实上，高层建筑结构在地震作用下的扭转振动是难以避免的。这是由于地震波传播 时，地面运动的相位差将引发建筑物的扭转振动3，与此同时，建筑物质量分布不均匀变化、 结构质心与刚心的偏差、各楼层间质心和刚心在水平位置上的变化、设计假定的确定是否 正确等都将引起扭振效应4 5。周期比的限值和原高规钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程（J
4、GJ3-91）相对 照，是一项新增内容。但本人在近年的工作中，发现在高层建筑结构方案设计时，设计人 员容易比较注重结构质量及刚度不对称引起的偏心，而对减少结构周期比 Tt/Tl 值重视不够。 由于 4.3.5 条并非强制性规定，有时设计人员甚至忽视了对周期比的检查。其实位移比和周 期比应是相辅相成的两个指标。若在设计工作后期才发现结构周期比值过大，此时仅仅调 整构件截面尺寸往往是不能解决问题的，而如果对结构平面布置甚至结构型式进行调整， 则会对整个设计工作造成极大的影响，使设计工作陷入被动。而且，对某些刚度和质量分 布相对较均匀但平面较狭长的建筑结构，也有可能发生结构周期比 Tt/Tl 超过限
5、值的情况， 应引起我们的充分重视。以下以一工程实例，采用抗震规范中推荐的非线性分析方法静力的非线性分析（push-over 推覆分析）进行地震荷载作用下的结构弹塑性变形验算，说明忽视结构周期比 限值可能会给结构带来的影响。push-over 分析方法可较好的反映结构侧向承载力的性能， 直观的看到结构塑性发展的整个过程，可找出薄弱层和薄弱部位6，对结构设计有很好的参 考和指导作用。- 6 -1. 工程实例某建筑为 11+1 层办公楼，长 66.6m，标准层宽 14.4m，建筑面积 11000m2。普通半地下 室作为停车场及设备用房，标准层适当简化后的结构平面图如下。结构主屋面标高 41.400m
6、， 地下室层高 3.6m，一层及十一层层高为 4.5m，其余楼层层高为 3.6m。二层楼面与楼体间和 电梯井相对处为中庭。修正后的基本风压为 0.3KN/m2。地震烈度为 6 度，场地土类别二类， 特征周期 0.35s，设计地震分组为一组，多遇地震影响系数最大值为 0.04，罕遇地震影响系 数最大值为 0.50.结构阻尼比取 5%。图 1 标准层平面该建筑物结构布置及荷载情况基本对称，初步设计中将其结构形式定为纯框架结构， 初步计算结果中其质心与刚心也偏差不大。但在采用中科院编制的 SATWE 软件进行结构设计过程中，发现其以平动为主的第一振 型周期为 2.6664s，而以扭转为主的第一振型周
7、期为 2.4731s，后者与前者的比值为 0.9275, 不满足规范中要求后者与前者的比值不大于 0.9 的要求。为此施工图设计时局部增设了混凝 土抗震墙，提高了结构的侧向刚度，经验算后满足了规范要求。那么如果不满足该要求时 到底会发生什么情况呢？如果依旧按纯框架结构设计，在地震情况下可能发生什么反应？ 为做到心中有数，本人又用 ETABS 软件对其在多遇及罕遇地震下的构件受力情况进行了非 线性静力弹塑性（push-over）分析。进行非线性静力弹塑性分析时，对原结构进行了简化，未考虑底层地下室混凝土围护 墙及消防水池墙体的作用，将半地下室按一层处理。结构构件按实际断面输入，配筋采用 ETAB
8、S 中的“配筋用于设计”，经抽样检查，大多数构件中，ETABS 计算结果略小于 SATWE。 振型组合采用完全二次方根法（CQC）,方向组合采用修正的平方和方根法（SRSS），考虑5%的偶然偏心率。结构的三维图如所示。图 2 结构三维图Push-over 工况考虑以下四种情况：1.静荷载+振型 1（横向）2.静荷载+振型 2（纵向）3.静荷载+x 向加速度4.静荷载+y 向加速度。 第一种工况相当于倒三角加载法，第二种工况相当于按初始振型加载法，后两种工况对中高层建筑相当于均匀加载法6。由 ETABS 计算结果可以看出，经简化后，ETABS 计算的以平动为主的第一振型周期为2.71500s，而
9、以扭转为主的第一振型周期为 2.58495s，后者与前者的比值增大为 0.9521，且 以扭转为主的第一振型由第三振型变为第二振型，扭转的作用比实际情况略有放大。为简单起见，本算例只采用程序里提供的缺省的塑性铰本构模型，将弯矩(M)塑性铰赋 予梁的两端、轴力和弯矩相关(PMM)铰赋予柱两端。在仅受静荷载及风荷载作用下，结构各构件均处于弹性状态。在多遇地震作用下，角 柱出现应力集中现象，push-over 的 1，2 里两种工况，结构二层柱及底层柱底部首先出现塑 性铰，然后梁端及柱端相继出现塑性铰，push-over 因柱端出现破坏性铰而停止。第一种工 况下塑性铰的出现情况如图所示。图 3 Pu
10、sh-over 第 1 种工况第一个塑性铰出现图 4 Push-over 第 1 种工况结构破坏时塑性铰发展图 5 静荷载+振型 1（横向）图 6 静荷载+振型 2（纵向）图 7 静荷载+x 向加速度图 8 静荷载+y 向加速度精品论文推荐上图中四条需求谱线从下至上依次为 5%需求谱、10%需求谱、15%需求谱、20%需求谱多遇地震：前两种静力弹塑性分析工况中，经 push-over 计算，X 向的性能点为 Sa =0.028， Sd=50.856，而 Y 向能力谱和需求谱未产生交点，说明在第二阵型（以扭转为主的振型）参与的情况下， 结构不能满足抗震要求。反观结构最大层间转角发生在第二层，达到
11、了 1/72。前两种工况中，可见 扭转对结构产生了巨大的影响，使其不能达到小震不坏的要求。罕遇地震：在罕遇地震作用下，反应谱线未能与需求谱线相交。2. 由计算结果可见1.结构抗扭刚度不足，结构发生了扭转破坏。对单一受扭构件而言，适筋受扭构件为延性破坏， 超筋和少筋构件为脆性破坏；但对整体结构而言，结构发生扭转破坏时，塑性变形量小，破坏具有 突发性，属脆性破坏范畴。该结构如设计成纯框架结构，虽然在静力荷载和风荷载下仍处于弹性状 态，但在小震情况下已进入塑性阶段，不能满足“二阶段三水准”的抗震设计要求。且其第一个塑性 铰出现在柱端，最终因柱倾覆而破坏，不能满足强柱弱梁的要求。其结构形式应采用框架剪
12、力墙 结构为宜。2.该建筑物长宽比为 66.6m/14.4m=4.625，较为狭长，虽然结构刚心和质心偏差不大，但由于长 度长，扭转对该结构抗震性能影响非常大，已使结构不能满足第一阶段的设计要求。故对该结构而 言，满足以扭转为主的第一阵型的周期和以平动为主的第一阵型的周期之比小于 0.9 的规范要求是 必须的。在实际设计中，除考虑地下室部分的混凝土墙体作用外，又在建筑物两端设置了两道横向抗震 墙。处理之后，经 SATWE 软件复核，满足了以扭转为主的第一阵型的周期和以平动为主的第一阵 型的周期之比小于 0.9 的规范要求。3.从 ETABS 应力结果图中可直观的看出，结构角柱和二层中庭楼板不连
13、续之处的梁板柱应力较 为集中。实际设计中对角柱予以了加强，中庭周边的框架梁宽度由 300mm 改为 350mm，板厚加厚为 200mm。3. 结论1.周期比 Tt/Tl 是结构的抗扭性能的重要衡量指标，当其过大时，应调整其值，使其满足规范要 求，以保证结构具有足够的抗扭刚度。设计人员应对该指标引起足够的重视。2. 本实例中在第二种侧向加载工况下，结构未能满足第一阶段抗震设计要求，由几种不同侧向 加载方式得出了不同的结果。说明在 push-over 计算时，对一栋建筑物只取一种侧向加载方式是不安 全的，至少应取两种加载方式相互印证。4. 本实例的缺陷、未完成的工作及 push-over 的局限性
14、1 本实例中进行了一些简化，且构件配筋并未采用实配钢筋，而是由 ETABS 自行配筋，与实际 情况有所差别。但 ETABS 计算的目的是探求结构的变形趋势，其结果是可以接受的。2.由于扭转使结构未能满足小震不坏的要求，push-over 计算结果中结构侧移及基底剪力结果不 甚合理，但由于时间关系未能调整。3.本实例是为探寻周期比未满足规范要求情况下对结构的影响，故未严格按罕遇地震时结构最 大侧向变形控制，而是推覆至破坏性塑性铰产生为止。4. push-over 将地震的动力效应近似等效为静态荷载，无法反映地震波持续作用下地面加速度随时间改变对结构的影响；此外，push-over 对于剪力墙的分
15、析模型还不成熟，有待进一步研究。参考文献1 JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程S.北京.中华人民共和国建设部,2002 2 徐培富.高层建筑结构的扭转反应控制 J. 土木工程学报， 2006， 39(7)：18 3 Edward L.Wilson 结构静力与动力分析 M. 北京：中国建筑工业出版社 2006 4 张新培 钢筋混凝土抗震结构非线性分析 M. 北京：科学出版社 20035 沈聚敏等 抗震工程学 M. 北京：中国建筑工业出版社 20006 北京金木土软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院. ETABS 中文版使用指南. 北京：中国建筑工业出版社2004From a de
16、sign to find out the essentiality of period ratioGu ChunboThe College of Civil Engineering of Hohai University，Najing(210098)AbstractDissertate the ultimate principle of “restricting the ratio of the first torsional vibration period to the first translational vibration not exceed 0.9 to A tall build
17、ing structure” in the Technical Specification for concretestructures of tall building (JGJ3-2002).Point out the essentiality of period ratio using push-over analysis to an instance for forecasting what would happen under earthquake action when the building can not restrict theperiod ratio.Keywords：torsional response；period ratio；static nonlinear analysis；performance point