某超高层结构的扭转分析与设计

某超高层结构的扭转分析与设计

杨诚

（广州瀚华建筑设计有限公司

广州510655）

摘

要：通过对扭转的近似计算得出减小结构扭转、增强结构抗扭能力的设计概念，将其运用到实际工程中，整体调整结

构布置，对扭转位移较大的构件采用延性较好的钢管混凝土柱，使结构在地震作用下具有良好的安全储备，并进行结构安全性能目标评价和模型验证试验。

关键词：扭转不规则；钢管混凝土柱；基于性能抗震设计；模型试验

Design and Structural Torsion Analysis of Skyscraper

Yang Cheng

（Guangzhou Hanhua Architects &Engineers Co.，Ltd

Guangzhou 510655，China ）

Abstract ：This thesis explains the design concept of how to reduce structure torsion and strengthen the structure torsion capability through approximate calculation of torsion ，and apply it to real projects.By adjusting the whole structural arrangement and applying concrete filled steel tube column with better extension to object with bigger displacement ，a new structure will be created and better safety reserve can be obtained even under earthquake circumstances.This new structure can give reasonable evaluation and authetication to structure safety by use of Seismic performance evaluation and model test.

Key words ：torsion irregularity ；concrete filled steel tube column ；seismic performance evaluation ；model test

广东土木与建筑

GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING 2009年3月

第3期MAR 2009

No．31问题的提出

随着人们对居住环境要求的提高，不规则平面

成为建筑师乐于采用的一种建筑形式。然而大量震害表明，结构平面不对称、不规则、不连续容易诱发结构扭转脆性破坏，严重者可引起整个结构倒塌破坏。国内一些振动台模型试验也都观测到结构的扭转震动及其破坏，主要表现在变形受力较大且薄弱的边缘部位竖向构件较快进入脆性破坏状态。这种扭转破坏对建筑结构抗震十分不利，设计时必须采取有效的措施控制，并合理地评估其结构安全性能。

2扭转简化分析及其控制方法 2.1

结构扭转简化分析图1a 为简化结构第i 层

平面示意图，设该层以上沿y 向总剪力为V y 不通过该层的刚度中心O D ，偏心距为e x 。

因假设楼盖在自身平面内为刚性体，故整个楼盖如同一

个刚片一样产生平动和转动。为简化计算，把图1a

的受力和位移状态分解为图1b ～c ，这样楼层各点处的层间位移均可用刚度中心处的层间相对水平位移和绕刚度中心的转角

表示。如y 向第i 榀结构

距刚度中心的距离为x i ，则沿y 向的层间位移为：

yi

=+x i ⑴

设x 向第k 榀结构距刚度中心的距离为y k ，则沿x 向的层间位移为：

xk

=-y k ⑵

设D xk 、D yi 分别为第k 榀结构x 向和第i 榀结构

y 向的抗推刚度；V sk 、V yi 分别为第k 榀结构x 向和第i 榀结构y 向所承担的剪力，则：

V sk =D xk xk =-D xk y k ⑶V yi =D yi yi =D yi +D yi x i ⑷

图1

简化结构第i 层平面及受力、位移分解图

訳

訴

訵

i

i

e x

V y

0D

x i

y k

k

x

k

y i

V y

0D

x

y i

O D

x

y i

M =V y e x

10

杨诚：某超高层结构的扭转分析与设计由图1a，沿y向承受的总作用力V y应与各榀结

构y向所能承担的剪力平衡，即：

∑Y＝0V y=∑D yi yi=∑D yi+∑D yi x i

由于O D为刚度中心，故∑D yi x i=0，由上式得：

=V y∑D yi⑸在图1a中，对刚度中心外力距M=V y e x应与各榀结构所能承担的剪力对刚度的抵抗力矩平衡，即∑M OD=0V y e x=∑（V yi x i）-∑（V xk y k）⑹

将式⑶～⑷代入式⑹，得：

V y e x=（∑D yi x i2-∑D xk y k2）

＝V y e x（∑D yi x i2-∑D xk y k2）

将、代入式⑶～⑷，得出每榀结构在考虑扭转时分担的层间剪力为：

由以上简化分析可得：

⑴离刚心愈远的抗侧力单元对抗扭刚度的贡献愈大，如能把抗侧力单元布置成方形或圆形，则能较充分地发挥结构的抗扭作用。

⑵在扭转作用下，各片抗侧力结构的层间变形不同，距刚心较远的结构边缘抗侧力单元的层间侧移最大，在结构设计时应注意扭转引起的附加变形不应过大。

2.2控制结构扭转的技术措施

⑴整体调整：宜使结构平面布置尽量规则，减少结构的相对偏心距。

在建筑物外围尽可能布置抗侧力单元，有效地提高结构的抗扭刚度，并从计算结果文件中找出结构质心和刚心位置，从而判断其质量和刚度分布情况。然后再根据刚度分布情况适当增减离质心较远处的抗侧力单元，以减小质心和刚心的偏心距，改善结构的扭转效应。

⑵构件加强：提高周边抗扭构件的延性。

对于处于扭转位移较大处的构件，单纯地加大截面和提高刚度并不能达到使构件安全的目的。由式⑺～⑻可知构件分担到的剪力也将增大，且大震下当结构进入非弹性阶段，会出现随变形状态而变化的偏心，刚度大的构件将分担更多的剪力，这时可能导致结构构件的脆性破坏。基于此，对于处于扭转位移较大的构件，宜采用延性较好的混合结构构件或提高构件的延性。3扭转不规则结构基于性能抗震设计［1］及工程应用

某超高层住宅楼地下3层，地上55层，总高度约200m，工程抗震设防烈度为7度，建筑抗震等级为一级。标准层结构平面如图1，属不规则平面，尤其在离刚心最远位置A～D点，建筑要求客厅有开阔视线而不能设置剪力墙，给结构设计带来了较大的难度。

在初步分析结构特性的基础上，我们采取了以下措施：①在客厅下设置了剪力墙Q1～Q4并用连梁将其连接，以提高扭转刚度，控制扭转位移；②位于位移最大点A～D处的构件采用延性较好的钢管混凝土柱，其节点采用钢筋混凝土环梁节点［2］，以提高结构在大震下的安全性；③对外突的客厅板块采取配置交叉暗撑的处理，以加强客厅外角部4根钢管混凝土柱形成的框架与主体的连接，避免在水平荷载下外突客厅板块产生过大的变形；④利用剪力墙平面外受力提高抗扭刚度，该部分剪力墙设计厚度不小于350mm，并加强剪力墙的水平筋以提高其抗剪能力。

3.1弹性反应谱小震作用下的分析

考虑小震组合的弹性计算分析结果见表2，结构完全能达到“结构处于弹性状态，各构件完好、无损伤”的第1阶段抗震性能目标。

3.2弹性反应谱中震作用下的分析

中震作用下X、Y向结构基底剪力分别为34296，36444kN，最大层间位移角分别为1426（31F），1530（34F）。结构水平位移与小震作用基本成线性关系，经验算，本工程竖向构件均不出现屈服，梁均不出现受剪屈服，能满足”结构基本处于弹性状态“的目标。

MAR2009No．3

2009年3月第3期

V xk＝D xk y k

D yi x i2-∑D xk y k2

V y e x⑺

V yi＝D yi

∑D yi V y+D yi x i

D yi x i2-∑D xk y k2

V y e x⑻

图2标准层结构平面图

①③⑥⑧⑨輥輯訛輥輱訛輥輳訛輥輵訛輥輶訛輥輷訛

4800720030006500340039001300560018007200

1

2

44700

4

3

5

3

6

5

5

7

7

7

2

4

3

4

髿

訞

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鬄

鬂

鬀

S

Q

T

M

①②④⑤⑦⑩輥輲訛輥輶訛輥輷訛

30006600220028507200795077007200

髿

S

T

7

2

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R

N

L

K

2

3

6

2

4

1

3

3

1

4

7

3

2

5

7

2

2

3

5

C

D

Q3

Q4

E

A B

Q1Q2

11