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抗震结构扭转效应的一点理解

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《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第 5.2.2条规定:采用阵型分解反应谱法时,不进行扭转耦连计算的结构,应当按下列规定计算其地震作用和作用效应……

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第 5.1.1 条第 3 款规定:质量和刚度分布明显不对称的结构,应计入双向水平地震作用下的扭转影响。

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第 4.3.2 条第 2 款规定:质量与刚度分布明显不对称的结构,应计算双向水平地震作用下的扭转影响;其他情况,应计算单向水平地震作用下的扭转影响。

通过对规范的理解,对于相邻阵型周期接近的情况下,需要考虑阵型之间的耦连;对出现扭转不规则的建筑物,应当考虑双向水平地震的调整;判断扭转不规则,通常通过判断位移比是否超出1.2为标准。

水平地震作用的扭转效应是对建筑物产生破坏的一种常见形式,下面我们分析一下扭转效应产生的原因,并结合规范和程序,对出现扭转不规则的结构应当采取的措施进行梳理。

01 水平地震作用的扭转效应产生的原因分析

水平地震作用的扭转效应大致可以分为两种情况,一个是由于地震波本身的扭转分量引起的结构扭转效应,另一个是建筑物由于施工或者方案上存在的质量与刚度的不均匀分布,即质心与刚心的较大偏离,从而在地震作用下出现扭转效应。

02 水平地震作用计算时,阵型组合的方法分类及结合程序的应用

对于水平地震作用的计算目前都是采用计算机分析,按照阵型分解反应谱法来考虑,而阵型分解又分为SRSS法和CQC法,SRSS不考虑地震作用的扭转分量,仅考虑两个方向的水平分量,并且不考虑阵型之间的耦联,而CQC考虑两个方向的水平分量和相应的扭转分量,同时考虑阵型之间的平扭耦联。

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第5.2.2条条文说明:“随机振动理论分析表明,当结构体系的振型密集、两个振型的周期接近时,振型之间的耦联明显。在阻尼比均为5%的情况下,由本规范式(5.2.3-6)可以得出(如图10所示):当相邻振型的周期比为0.85时,耦联系数大约为0.27,采用平方和开方SRSS方法进行振型组合的误差不大;而当周期比为0.90时,耦联系数增大一倍,约为0.50,两个振型之间的互相影响不可忽略。这时,计算地震作用效应不能采用SRSS组合方法,而应采用完全方根组合CQC方法。”

抗震结构扭转效应的一点理解

即可以通过程序计算结果输出的各阵型周期,自行比较各相邻阵型的周期比Tk/Tj,是否超出0.85,以此来判断是否可以不考虑阵型的扭转耦连效应,周期比越小,耦连系数越小,阵型之间的耦连影响越微弱。

在计算水平地震作用的时候,除了特别规则的结构之外,一般都是需要考虑地震的扭转分量的,各阵型周期比较接近,或者相邻阵型周期比超出0.85时候还需要考虑阵型之间的耦连。

SATWE计算模块在计算地震作用的时候强制按照CQC进行计算。PMSAP计算模块还保留了SRSS的阵型组合方式,如下图所示:

程序的二维计算模块(pk二维或者STS模块),因为是平面计算模型,水平地震作用不需要考虑抗扭分量,程序默认按照SRSS计算方法考虑计算。

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第 5.2.3条规定:水平地震作用下,建筑结构的扭转耦联地震效应应符合下列要求:

1 规则结构不进行扭转耦联计算时,平行于地震作用方向的两个边榀各构件,其地震作用效应应乘以增大系数。一般情况下,短边可按1.15采用,长边可按1.05采用;当扭转刚度较小时,周边各构件宜按不小于1.3采用。角部构件宜同时乘以两个方向各自的增大系数。

针对抗规5.2.3-1的程序实现,可以在二维模块考虑,按照抗规的简化增大系数法计算,并自行考虑任意方向的任意边榀,详细参数如下图:

03 结构扭转不规则的判断

由于建筑本身的质心与刚心的偏离,这个因素在计算水平地震作用时候一般是难以避免的,所以通常情况下,在考虑地震作用计算的时候,都需要考虑偶然偏心的影响,在考虑偶然偏心影响的前提下,再去对建筑的规则性进行指标判断,对于扭转不规则的建筑,还需要考虑双向地震的调整。

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第 5.1.1 条第 3 款规定:质量和刚度分布明显不对称的结构,应计入双向水平地震作用下的扭转影响。

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第 4.3.2 条第 2 款规定:质量与刚度分布明显不对称的结构,应计算双向水平地震作用下的扭转影响;其他情况,应计算单向水平地震作用下的扭转影响。

所以是否需要考虑双向地震调整,前提是基于建筑物质量和刚度是否不对称,而实际情况是质量和刚度是否不对称很难界定,所以通常情况下以“扭转不规则”作为判断条件。

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)第 3.4.3-1条第 1款规定:“在具有偶然偏心的规定水平力作用下,楼层两端抗侧力构件弹性水平位移(或层间位移)的最大值与平均值的比值大于1.2”。

04 双向地震效应的设置与校核

结构位移比如果超出1.2,即可认定为扭转不规则结构,需要考虑双向水平地震作用,参数设定如下图所示:CAD软件素材教程下载www.fke6.com四五设计网www.45te.com设计学徒自学网www.sx1c.com

组合时候程序将单向地震工况EX和EY按照考虑双向地震调整后,作为新的工况EXY和EYX输出,并重新进行组合,如下图:

双向地震的计算与抗规公式相同,按下式进行调整:

对柱轴力进行校核:

对柱弯矩进行校核,此时需要注意的是,弯矩是绕轴的概念,所以在考虑地震的方向分量时候,EX是绕Y轴的,核对的时候需要带入My的数值。

以柱底弯矩Mx为例说明:

05 位移比如何通过模型进行调整

所以,当出现位移比超出1.2倍判断为扭转不规则的结构,是直接考虑双向地震,还是通过调整方案让位移比控制在1.2之内呢,我们以一个框架结构为例,进行比较。

首先要知道如何查找相应的最大位移点。楼层位移指标如下图所示:

我们需要设置一下文本输出项,让最大位移对应的节点号显示出来:

然后点击一下刷新,程序文本显示会调整输出项,如下图:

在通过satwe计算结果中的编号简图,输入节点号,进行定位查找:

对结构平面角部进行梁柱截面的加强处理,对楼层抗扭有所帮助,我们尝试对角部四个角柱及其相连接的梁,进行了截面加大,柱从500*500加大到600*600,相连接的梁由300*300加大到400*400,再看相应的楼层位移指标,如下图所示:

最大层间位移比由1.2变小到1.19。以此思路可以进一步对结构进行方案上的调整。

如果不调整方案,而是考虑双向地震调整的话,会造成材料的浪费,认为增加了不必要的造价提高,我们分别对调整梁柱截面和进行双向地震调整两个方案进行工程量统计,看看差异:

调整方案后的工程量统计结果如下图所示:

直接考虑双向地震之后,工程量统计结果如下图:

通过比较,可以发现调整方案控制位移比在1.2之内,跟直接考虑双向地震的结果,工程量差异并不大。不过因为方案的调整手段有很多种,还需要我们在设计过程中,加以比对,避免出现建模误差,如梁柱未有效连接,出现柱顶节点没有梁约束的情况,进而导致楼层位移比超出1.2,考虑双向地震加大了构件配筋,造成的工程材料的浪费。

06 总结

1.在建筑方案阶段,尽量使结构体型,构件布置均匀,如出现位移比超出1.2的情况,要注意查看具体最大位移出现的位置,避免建模误差问题。

2.地震作用的随机性和不确定性比较大,需要关注周期比,选用适当的阵型组合方法,二维平面计算模型除外。

3.结构由于施工,材料等因素造成的质心与刚心相差较大,在地震作用下会有扭转效应,需要在考虑偶然偏心的前提下,进行结构的整体规则性的判断。

4.双向地震的调整,不是对单向水平地震的简单公式套用,而是针对某一主方向地震作用在另外一个方向的分量效应的调整。

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