高层建筑结构的受扭敏感区和质心区.pdf

高层建筑结构的受扭敏感区和质心区 陈天镭马海军 兰州有色冶金设计研究院有限公司中豳兰州 7 3 0 0 0 0 摘要本文通过对大量“品”字形工程实例的计算分析及平面演变分析，说明高层建筑结构抗 扭设计的关键是解决抗侧力构件的合理分布。结构平面中存在着受扭敏感区和质心区，在受扭敏感 区正确地增设抗侧力构件和在质心区合理地减少抗侧力构件会对抗扭参数的控制起到立竿见影的 效果，同时还会得到经济的结构平面和抗扭刚度分布，正确地运用受扭敏感区和质心区的概念还可 提高抗扭设计效率。 关键词受扭敏感区质心区 T h eT o r s i o nS e n s i t i v eA r e aa n d0 e n t r e i d A r e ao ft h eH i g h r is eT e x t u r e A b s t r a c t B yt h em o a n so fc o m p u t a t i o n a la n a l y s i sa n dd i m e n s i o n a le v o l u t i o na n a l y s i so nal o to f “p i n ’p a t t e r ne n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，t h i sa r t i c l et r i e st oi l l u s l x a t et h a tt h ek e yp o i n to f t h ed e s i g no ft h e t o r s i o nr e s i s t a n c eo ft h eh i g h - r i s et e x t u r ei st or e s o l v et h ep r o b l e mo ft h er e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no ft h e l a t e r a lf o r c er e s i s t a n c em e m b e r ．1 1 埒t o r s i o ns e n s i t i v eR r e aa n dc e n t r o i da r e ae x i s tO i lt h es u r f a c eo ft h e t e x t u r e ，a n di n c r e a s i n gt h el a t e r a lf o r c er e s i s t a n c em e m b e ri nt h et o r s i o ns e n s i t i v ea r e aa n dd e c r e a s i n g t h el a t e r a lf o r c er e s i s t a n c em e m b e ri nt h ec e n t r o i da r e ac o r l e c t [ yw o u l dg e te f f e c ti n s t a n t l yO nt h e c o n t r o lo ft h et o r s i o nr e s i s t a n c ep a r a m e t e r ．F u r t h e r m o r e ，t h a tc o u l da l s om a k et h ed i s t r i b u t i o no ft h e s u r f a c eo ft h et e x t u r ea n dt h er i g i d i t yo ft h et o r s i o nr e s i s t a n c ee c o n o m i c ．B e s i d e s ，t h ep r o p e rn s eo ft h e c o n c e p t so ft h et o r s i o ns e n s i t i v ea r e aa n dc e n t r o i da r e n ac o u l di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h et o r s i o n r e s i s t a n c ed e s i g n ． K e yw o r d s t h et o r s i o ns e n s i t i v ea r e a t h ec e n t r o i da r e a 工程实例及演变分析结果 从兰州阳光家园3 0 1 0 4 平方米大型高层小区的设计中，找出B 型、D 型建筑平面进行实例分析， 并对B 型平面进行了两方向的平面演变分析。各种情况 共1 9 种 的结构平面布置见图1 ～1 0 。对 1 9 种平面的水平地震作用下的扭转进行了计算，并对位移比A m a x ／A a 一1 ．3 5 时补充了双向地震作 用分析，其计算分析结果如表1 。． 4 2 2 为了突出研究扭转问题，统一按I I 类场地，同一计算程序进行结构分析，结构计算的参数均按 常规工程设计的合理值选取，结构计算的其它结果参数指标均能全部较好的满足规范要求，构件的 断面为正常合理断面，剪力墙厚度为3 0 0 “ - - 2 0 0 ，柱断面为6 0 0 X 6 0 0 ～5 0 0 5 0 0 ，砼强度为C 4 0 ～C 3 0 ， 钢材为H P B 2 3 5 ，H R B 3 3 5 ，H R B 4 0 0 。因篇幅原因其它参数不再列出。结构分析采用中国建筑科学研究 院编制的三维组合结构有限元S A T W E 程序，按楼板整体平面内无限刚假定、弹性楼板假定两种情况 进行计算，后一种情况模拟楼板较长时的情况。计算考虑了设防烈度7 度和8 度两种不同烈度，本 文未特殊注明的各图表中的计算结果均为8 度时的情况。 2 22 图1D 型_ 有核心筒周边无墙 图2D 型_ 纯框架 2 8 0 0 图3D 型一梯井处无核心简 4 2 3 2 图40 型一实际应用 圈5B 塑一有核心筒周造无培 酊B 型一梯井处无桉心筒 融日l - f 砌I 囝6B 争纯框架 豳B 塑_ 实际宣甩 翔匠司一 崩肾甬 占] } 魁咕n } 一矗 4 2 4 l l OB t ．￡i l ’忙尊 r扣弘琶 r扣弘琶r 扣扩卜k 4 2 5 曩 毫 羁 粤粤 舅 _ 粤皇 j 基 R R- RR RR 躲离 京髂 总岛 一 巽是 冥蜚巽鼻 H E翼 ．1 i t 到矗蚓 嗣S 蚓蜊只 蚓 匝 备匝 暄嚣匣匝躲 匠 嘣剜剧巽剐疑R嘣 峨 疆旺 压厩疵疆艇 压 团 团目目囤目圄匝曰 蕾E { 吃 {g 錾鐾3 一 N 匿审 一 d o。o 鲁 薹喜萎 昌 2昌g露 ● 卜 a ‘ 宰； 宅雩霉“ 藿蚕 宝寓霉2 2高 。 只一■ 一一 一 一 藿蠢 昌昌 吊宝 量量 寓 ■鼍 皇 “ ■ 一一一 _ 一 誊 善8 8吕 晷善量 量 苎 一 一 守 一d一 霉尘 掣 副葛暑g器品 一 静 量g善g g 8 8 8 8 一 宁7 7 。 77 堪 舞 蓦 曼 兽g g警 孽 基 正 一 ∞ “●n 髯臂零宕甥 n 昼 薹 卜∞口’ ●鼍鼍 卜 ∞卜 dc j6 o o o 6 d d 甓 a m “ 一 簧 是害 积’ 一 曩 一 躁 墨一 史 8 g 兽 甍 l 卜 吧 ∞ 一 - 一 一 蓥餐 芝 2 器器 o 鼍 一 d““N 嚣 量 oc ，口 岔暑暑 昌 赛是 ●‘ ￡ 三 哩 _ 一 一 品 一 H ■ a 暑 量 g 昌 暑 吕g 出 8 ■ 雹 ■口 盘 奠鼍 描 “ 霉霉科霉科 l “ 薹薰 一鬲品高 鬲 丽晶 ≥ ≥j备苫≥ 苫≥ 一一 一一一一 一 礤 诤 蠹 一 麓 ■ 蜢 爱 倒 鞠 轻 ～ 桃 生 皇 札 牝 硎 ■ 一 掣嗽 藿II岳 卜蟠 掣 蜂 翻 鞫 缘率蠡型 卜 骝 牲镓型掣 、一剖融骅掣融 I ■宙目● 卜 I 京 蘸 躲 斗 蝌昙谋 掣嶝 一罐掣 一一 丝龋一 娃畦 I 州 ；| 般 ， 】，0 螂地l i I辎攮rI I1 錾 艇 限I I出限IJg暇 寮E曩 氧卜嚣爿 鞍业佃 鞭半佃辕 爨景州 爨晏州嚣 I RI kI R l Rf R i RI K 甜利珊 珊 蟊l 嚣 女 副甜副 副 副 ∞∞∞出盘 眯姆g窖魁卜隧账姆琳本辛辜覃墨卜暖世艇簧}*恒}岛幸好制螂剥∞越副∞窖议晕辎鄹掣歌 蝴 落 葛 群 誓 墨 墨■* _ 墨’奠 蔫 旨l 冒詹 目 旨％r旨圈r F口} 可拓r目k r} 冒旨 旨国 由 目 盛棘懿 傣 蹦 ※ 瓢 幸蠼鍪鲤 ■，嶝- - 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1 3 。 3 设防烈度对扭转计算的影响 表2 列出了水平地震作用下考虑5 ％偶然偏心时刚性楼盖假定下设防烈度7 度时的扭转 控制参数的变化情况。可见设防烈度从8 度降为7 度时，周期和周期比无变化j 位移比有所 减小，影响最明显的是位移角大幅度减小。烈度从8 度降为7 度时扭转控制参数好转。 4 弹性楼盖假定对扭转计算的影响 表2 列出了水平地震作用下按弹性楼盖假定时扭转参数的变化情况。可见，在其它条件 不变的情况下，仅将刚性楼板假定变为弹性楼板假定时位移明显增大，平动和扭转周期、 周期比T t ／T I 、位移b t ／X m a x ／A a 增大十分明显，在刚性楼板假定下能满足要求的各项扭转 控制指标因弹性楼板假定而超出规范限制。此时若欲使扭转控制参数满足，则需进一步调整 抗侧力构件的刚度分布。由于弹性楼板假定时，楼板的协调能力比刚性楼盖时降低，远端抗 侧力构件的作用比刚性楼板时有所减弱，如图1 4 、1 5 。 4 2 7 ．6 蝴．望嫂．5 j 嫂． 蟠j 嫩 脚叫趔必靴} 班Q 斗盐∞l 占手2 蜘晒习毛- 弓 刚●8 l T t 三I _ 酗曦 羽◆ 5 受扭敏感区和质心区 由此可见，结构平面内存在着特殊的区域，此区域内抗侧力构件的增减，会迅速影响 扭转控制参数好转或恶化，在此区域内正确的增减抗侧力构件，会使抗扭刚度分布达到经济 合理。 以质心为转心的回转半径的远端结构平面上，将结构平面外围轮廓线向质心方向缩小 该方向结构平面总尺寸的若干分之一，而形成结构平面内轮廓线，内外轮廓线间的结构平面 环状区域为受扭敏感区，在此区域内正确地增设抗侧力构件会立竿见影的减小扭转位移比， 受扭敏感区内较小的抗侧刚度，可获得整体结构较大的抗扭刚度，会事半功倍。以质心为转 心的回转半径近端的结构平面上，以质心为园心，以结构平面长边的若干分之一为半径的园 区域为质心区，在此区域合理减少抗侧力构件会有效的减小扭转周期比。质心区内较大的抗 侧刚度，难以获得整体结构有起色的抗扭刚度增大，会事倍而功半。正确的增加受扭敏感区 内抗便【力构件刚度，同时合理的减小质心区内抗侧力构件的刚度，会迅速有效地使抗扭参数 达到满足，使结构平面内抗扭刚度分布达到合理，不但会得到经济的结构平面和抗扭刚度分 布，而且会提高抗扭调整的效率。 6 结论 ． 综上所述，可得如下结论 1 1 结构平面中存在着受扭敏感区和质心区，在受扭敏感区内正确地增设抗侧力构件， 同时在质心区合理地减少抗侧力构件会对扭转周期比、位移比的控制起到立竿见影的效果。 2 重视结构平面内此两区的特殊性，会在设计中得到经济的结构平面和经济的抗扭刚 度分布。 3 重视此两区的概念，并灵活使用还会提高抗扭设计效率。 4 在受扭敏感区内的竖向构件，有扭矩存在。竖向构件处于有扭矩参加的复杂受力状 态，在大中震下的抗扭构造及措施应充分重视。 5 扭转周期比T t ／T 。≥1 ．3 5 时，为明显不规则结构，此时应考虑双向地震作用的影响， 4 2 8 r乳粥乱r飞 目前可取两者效应的大者设计。 需要指出的是当按弹性楼盖假定时受扭控制参数比刚性楼板假定时变大，经过对抗侧 力构件平面刚度的再次调整后，受扭控制会达到新条件下的满足。计算分析表明，此时结构 平面中仍然存在着受扭敏感区和质心区，其分布规律已与刚性楼板假定时基本一致，由于扭 转的复杂性和具体工程的千差万别，而受扭控制的目的是求得结构刚度的合理分布和控制扭 转变形过大而发生破坏，工程设计中可通过多次试算分析找出此区域进行受扭控制，在弹性 楼板假定下，受扭敏感区和质心区的发展趋势及其分布规律有待进一步研究。 参考文献 I 、建筑抗震设计规范 G B 5 0 0 I I - 2 0 0 1 ； 2 ，高层建筑混凝土结构技术规程J G J 3 - 2 0 0 2 ． 4 2 9