高层建筑扭转问题研究

1、高层建筑扭转问题研究弘湖北工业大学硕士，学位论文。摘要随着社会的发展和人们生活的需要，对建筑的要求也越来越高，高层建筑也随之发展起来。而科学技术的进步、轻质高强材料的出现以及机械化、电气 化、计算机在建筑中广泛应用等，乂为高层建筑的发展提供了物质和技术条件。 我国的高层建筑也得到了迅速发展，建筑高度的不断增加，建筑类型和功能愈来 愈复杂,结构体系更加多样化。在年代以前，我国高层建筑体型大多简单规则，平面形状为矩形,少量为形、形，一般较简单。近年來，建筑平面同趋复杂，立面造型多向外悬挑向内收进。随着科技的进步，人们对复朵结构进行了大量地分析研究，经过了充分的模 型试验，更深入地了解了客观世界，于

2、年制定并颁布了新规范。由于新规范在抗震设计、平面扭转等方面较规范有较详尽的分析研究，作了合理的改进取舍，使之更趋于合理。在新旧规范交接和交替使用的过程屮，对同一幢建筑物,符合老规范的条文,对照新规范会有些什么改进老建筑物应如何调整木文试图运用对某工程的分析和探讨，加深对新规范的理解，从个别的现象中寻求 一定的规律。本课题來源于副导师彭奇玉教授级高工年主持设计的武汉一高层建筑。在 研究建筑模型和分析规范的基础上，重新建模计算,并按新规范重新分析，调 整结构方案，以满足新规范的耍求;通过对结构计算结果的对比分析，得到符 合新规范的结构，提出“抗”扭与“减”扭设计方案，进一步得出不规则结构扭 转设计

3、的一般方法。木文的研究，可对类似工程的改建、扩建和加固有指导意义，并且进一步证 明了结构概念设计的重耍性。此类研究在口前国内尚屈空白，具有实用性和 指导性意义。关键词：高层建筑，扭转，概念设计，规范湖北工业大学硕士学位论文99 湖北工业大学硕士学位论文.oo湖北工业大学硕士学位论文第章高层建筑的发展概况引言高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起來的，是商业 化、工业化和城由化的结果。而科学技术的进步、轻质高强材料的出现以及机械 化、电气化、计算机在建筑屮广泛应用等，又为高层建筑的发展提供了物质和技 术条件。它有利于节约能源和集约化地利用土地，解决住房紧张，减少市政基础设 施和美化

4、城市空间环境。可以说，高层建筑的发展，开创了建筑业的新纪元。国外高层建筑发展概况世界上第一幢高层建筑是美国芝加哥家庭保险公司大楼,层，高，建于年，这座采用铸铁框架承重的结构，标志着一种区别于传统砌筑结构的新结构休系的诞生。到了世纪末,高层建的高度突破了大关,年建成的纽约 大厦层,，是世纪世界上最高的建筑。年纽约建造了著名了的帝国大厦,共层，高,它享有“世界最高建筑”之美誉长达年之久。在世纪中期开始到世纪年代初的这段时期，高层建筑虽然有了比较大的发展，但由于受到设计理论和建筑材料的限制，结构材料用量较多，自重较 结构体系仅限于框架结构，且建于非地震区。从世纪年代以后，轻质高强材料的应用，新的抗风

5、抗震结构体系的发展,新的设计理论的突破，电了计算机的推广使用以及新的施工机械的涌现, 使高层建筑得到了大规模的迅速发展。年,纽约建造了层，高的世界贸易中心，打破了帝国大厦保持了年z久的高层建筑世界纪录，但已在年事件小被毁;年在芝加哥又建成了世界上最高的西尔斯大厦，层，高,享有“世界最高建筑”美誉多年。这两幢建筑都是钢结构。年在马来西亚吉隆坡建成的石汕大厦,层,，是钢与钢筋混凝土混合结构。目前世界上最高的建筑是年台北市国际金融中心，高，塔尖达。目前世界上最高的钢筋混凝土结构是朝鲜平壤市的柳京饭店，地面以上层, 湖北工业大学硕士学位论文我国高层建筑发展概况我国是高层建筑发展历史悠久的国家，古代就建

6、造过不少高层建筑?塔， 大都采用木结构或砖结构。有一些木塔或砖塔经受住了上千年的风吹雨打, 甚至强烈的地震的摇撼而能保留至今，足见其结构合理，工艺精良，说明我国古代 在建筑设计、结构体系选择、施工技术上具有很高的水平。但是就近代高层建筑丽言，在相当长的一段时期内，我国发展却是缓馒的。解放后，我国陆续建成些高层建筑。年建成的广州宾馆，层，高，是年代我国建成的最高建筑。世纪年代开始，我国高层建筑有了很大的发展，主要用于住宅、旅馆和办公楼等建筑。这些住宅大多数在层左右，但有些城市，例如深圳。高层住宅 建筑已达层左右。随着旅游事业的发展和经济对外开放，旅馆和高层商用办 公楼、通讯大楼以及综合性多功能大

7、厦的需要与同俱増。从世纪年代开始，这类高层建筑增长的速度很快，进入年代，随着改革开放事业的发展，这类高 层建筑更有迅猛的发展。我国内地在各个阶段具有代表性的高层建筑是:年建成的北京饭丿占东楼，层,高.,是当时北京最高的建筑;年在广州建成的白云宾馆，层,高.，是以后年中我国最高的建筑;年,深圳建成了层、高的国际贸易屮心大厦，超过了前者;相隔两年，高度为、层的广州国际大厦和、层的北京京广小心大厦又相继开工,成为当时全国最高的建筑:年建成的上海金茂大厦，层，高，是目前全国第二、亚洲第二、世界第四的摩天大楼。我国高层建筑的迅速发展,建筑高度的不断增加，建筑类型和功能愈来愈复杂，结构体系更加多样化,所有

8、这些都显示我国高层建筑结构设计和施工技 术水平有了很大的提高。我国高层建筑发展的特点.层数增多，高度加大湖北工业大学硕士学位论文由于建筑功能和城市规划的需要，加z建设用地紧张，近年來国内高层建筑的层数增多，高度加大。从高度和层数來看，钢筋混凝土高层建筑的抗震设 计，我国已居世界的前列。 高层建筑向多用途、多功能发展我国在高层建筑出现早期，多采用单一用途，多为高层旅馆、高层办公楼等；七十年代末,上层为住宅、下层为商店的商住楼开始兴建：冃前，层数日渐增 多的高层公共建筑，为满足不同用户的需要，同吋也为适应现代社会高效率、快-hj-奏的要求，而发展成为高层综合性大厦。这种综合性大厦，它的上部为旅馆、

9、宅，屮层部分为办公用房，而下层和裙房则布置成商店、餐厅、银行和娱乐设施,地下部分为停车场或地铁车站，这样在一条垂直线上就可以满足用户各种需 要。 结构体系瓢颖多变年以前，我国高层建筑结构基木上是框架结构、剪力墙结构和框架一剪力墙结构。它们共同的特点是以平面框架或平面剪力墙为基本抗侧力结构单 元，多方向组成空间受力的结构。年代以后，建筑功能和建筑艺术耍求提高，平面 布置与竖向体型fi益复朵，而且层数增多、高度加大以及设防烈度提高，新的 结构体系得到了广泛应用。现在，己从最初的框架、剪力墙结构等基本体系, 发展为框架一剪力墙体系，继而发展了框架一简体体系、框架筒体一伸臂体系、 筒中简体系、巨型框架

10、体系、脊骨结构体系等等。，建筑材料丰富多彩高层建筑结构的材料主要是钢筋混凝土和钢。除了全部采用钢材的钢结构和 全部采用钢筋混凝土材料的钢筋混凝士结构外，同吋采用两种材料做成的混 合结构和组合结构在近年得到了愈來愈广泛的应用。钢结构优点突岀：钢材抗压、抗拉、抗剪强度部很高,韧性大易于加工：钢结构具有结构断面小、口重轻，可减少结构所占据的建筑面积，可降低基础价:构件延性好，结构抗震性能优于钢筋混凝土结构;钢结构构件可在工厂加 工，缩短现场施工工期。其主耍存在的问题，一是防火性能差，因此维护费用商, 二湖北工业大学硕士学位论文是钢结构的造价高。钢筋混凝土结构造价较低，且材料来源丰富，并可浇筑成各种复

11、杂断面形状，钢材用量少,而承载力较大，侧向刚度大，整体浇注的连接节点可靠，抗震性 能经过合理设计也可获得较好的效果。其缺点是构件断面大，占据室内空间多, 因而减少使用面积，自重大，从而基础用材更多，导致基础造价增高。近年来高 强混凝土和高性能混凝土的发展更促进了高层钢筋混凝土建筑的发展。将两种材料做成混合结构或者组合结构，是我国近年來发展研究的热点。.体型和结构布置复杂在年代以前,我国高层建筑体型大多规则，平面形状为矩形，少量为形、槽形,一般较简单。近年来，结构的平面形状日趋复杂，立体体型也较多外挑 内收。这些复杂结构的产生一方面是客观的需要，建筑功能、建筑艺术和建筑 规划要求打破单方盒子的格

12、局;另一方面也是由于结构分析水平的提高,三维空分析程序和计算机的广泛应用，使复杂结构分析成为可能。由于高层建筑的 功能和形式的多样化,结构的复朵程度增加，带转换层的结构、带加强层的结构、 错层结构、连体结构、多塔楼结构等复杂高层建筑结构愈来愈多，对结构设计 也提岀了更高的要求。湖北工业大学硕士学位论文第章结构的抗扭设计结构在扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱的剪力 很尢而中柱剪力较小，破坏由外向里，先外后里。为防止扭转，抗侧力结构应 对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。引起结构扭转的因素扭转是导致结构破环的重要原因，由于无法预见和计算，减小结构的质量不

13、均匀和刚度不均匀、加强结构的抗扭刚度和抗扭能力成为减少震害的重要措 施,也是结构十分重耍的设计概念。合理的建筑布置可使结构的扭转效应降到最低。因此合理的建筑布置在抗震 设计中是头等重要的，提倡平、立面简单对称。因为震害表明，简单、对称的筑在地震时较不容易破坏。因此在抗震规范屮以强制条文的方式规定“建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案”。抗震 结构平面布置宜简单、规则，尽量减少突出、凹进等复杂平面，但是，更重要的是 结构平面布置时要尽可能使平面刚度均匀。地震时，引起建筑结构扭转振动的因素主要由两个方面： 来自外来干扰由于地面质量间运动的差别，可使地面的每一部分不仅产生平

14、动分量，而且 产生转动分量。这种转动分量迫使结构产生扭转。但由于地震扭转分量的理 论计算方法还不成熟，强震观测由于工作条件的复杂，一些实际技术工作没有解 决，所以在各国的研究方面没有开展起来。各国的抗震规范没有考虑地震扭转分 量的计算。规范中采用如下规定考虑其影响: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櫛,其地震作用效应应乘以增大系数。一般情况下, 短边可按釆用，长边可按釆用;当扭转刚度较小时，宜按不小于采用。.建筑结构木身因素湖北工业大学硕士学位论文结构的质量中心与刚度中心不重合，存在偏心，导致水平地震下结构的扭转振动。而且，即使每层的质心与刚心重合,但各楼层的质心不在同

15、一竖轴上,由于地面运动的扭转分量，刚度计算的误并、活荷载的偏心及其他佔计不到 的因素，也会引起整个结构的扭转振动。平面刚度是否均匀是造成扭转破坏的重 要原因，而影响刚度是否均匀的主要因素是剪力墙的布置。平面布置平面形状与震害:地震区的高层建筑,平面以方形、矩形、圆形为好;正六边形、正八边形、椭圆形、扇形也可以。三角形平而虽也屈简单形状，但是, 由于它沿主轴方向不都是对称的，地震时容易激起较强的扭转振动，因而不是 地震区高层建筑的理想平面形状，地震时多数房屋因扭转振动而严重破坏。此 外，带有较长翼缘的形、形、十字形、形、形、形平面也不宜采用。因为平面的较长翼缘,地震时容易因发生差异侧移而加重震害

16、。关于建筑平面的设计规定：认为采用此等平面的楼房，地震时扭转振动较 弱。立面布置地震区高层建筑的立面也要求采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的儿何形状，尽量避免采用带有突然变化的阶梯形立面。i大i为立面形状的突然变化, 必然带来质量和抗推刚度的剧烈变化,地震时，该突变部位就会因剧烈振动或塑 性变形集中效应而加重破坏。立而形状与震害:，倒梯形建筑：出于建筑风格的需要广种时尚的下部向内收进的倒梯形建筑，在地震区使用就不合适。因为这种倒梯形建筑,在质量 分布、刚度分布和强度分布上均与抗震设计原则相背离;上部质量大，下部质量小,重心偏高,倾覆力矩增大:上部刚度大，下部刚度小，近一步增大了底层的相对薄弱程

17、度；由上而下,楼层剪力是逐层递增，而楼层受剪承载力是逐层 递减;一效应比一般建筑严重。大底盘建筑:一些大底盘高层建筑，由 于低层裙房与高层主搂相连，没有设缝，体形突变引起刚度突变，使主楼底部 接近裙房屋面的楼层变成相对柔弱的楼层,地震吋因塑性变形集中效应而产生 过大层间侧移,导致严重破坏。必须采用时，应进行弹塑性时程分析，计算出地慮 时各楼层的实际弹塑性层间侧移,找出薄弱楼层，并采取相应的加强措施。湖北工业大学硕士学位论文合适的房屋高度一般而言，房屋愈高,所受到的地震作用和倾覆力矩愈大，破坏的可能性也就愈人。随着工程地震和地震工程学科的不断发展，地震危险性分折和结构 弹塑性时程分析法的h趋完善

18、，特别是通过世界范围地震经验的总结，人们已认 识到“房屋愈高愈危险”的概念不是绝对的,是有条件的。不大的房屋高宽比倾覆力矩引起的破坏:在建筑地震反应中，建筑的尺寸比例，比起绝对尺寸更为重要。对高层建筑来说,在抗震设计中，房屋的高宽比值,是一个比单一 高度尺寸更需慎重考虑的问题。凶为建筑的高宽比值愈人，即建筑愈瘦高，地震 作用下的侧移愈大，地震引起的倾覆作用愈严重，乜大的倾覆力矩在柱中和基 础中所引起的压力和拉力较难于处理。足够的基础埋深关于高层建筑的基础埋深要不要有最小限值，一直是个未能得到统一认识 的问题。高层建筑基础的埋置深度。除了应该满足地基强度、变形和稳定性 等要求外，基础具有适当的埋

19、深,对于减少建筑物的整体倾斜，防止倾覆和滑移, 都将发挥一定的作用，更重要的是，应该进行地震作用下的防倾覆的稳定性验 算。结构扭转的性质对于结构的扭转破坏，在荷载作用时，由于整个建筑发生扭转振动，抗推刚度较弱的一侧，位移加大，剪力增加,破坏程度加重。如果一端刚度很大，另一 端只有柱了，刚度很小，这样其平面的刚度不均匀，地震荷载作用下发生扭 转，导致钢筋扭曲，突出柱外，没有剪力墙的一端柱子塌落,楼板塌下：如果每个 独立结构单元两端质量和刚度相差悬殊，地震作用下也会产生很大扭转，钢筋 混凝土柱岀现典型的交叉裂缝;如果建筑平面复朵，每层的平面布置不同,使结构 的框架方向改变，有些柱了上、下错位，有些

20、柱了上、下的形状和长边方向改变,湖北工业大学硕士学位论文还有布置深梁后形成的短柱，地震时有可能底层柱折断，上层整体塌落:如果 在房层的一端每开问均有横墙，而另一端多为两开间或三开间的大房间，地震 时则一端破坏轻微，另一端发生严重的剪切破坏；当结构平面形状不规则时，如为 形平面，破坏时交叉斜裂缝的宽度可达:单层厂房以横向破坏为主时，靠近 山墙的排架破坏轻，远离山墙的排架破坏重，仅一端有山墙的厂房区段，伸缩 缝附近排架柱的破坏程度，比其它排架柱的破坏严重得多。对单一受扭构件的破坏的研究表明，适筋受扭构件以延性形式破坏,少筋及超筋构件以脆性形式破坏，也即破坏没有明显塑性变形,破坏是突发性的类似破坏。

21、但对于整体结构來讲，当结构发牛扭转破坏时,塑性变形量小，破坏具有发性，屈脆性破坏范畴。下而的例子将更好地说明这一点。扭转破坏举例年口本宫成冲地震，有两幢层钢筋混凝土结构的破坏是扭转破坏的典型情况。这两幢建筑十分相象，图？是其屮一幢楼的平面，楼梯间布置在建 筑物一端，用实心的剪力墙围成筒，刚度很大，另一端只有柱子，刚度很小，显 然其平而的刚度不均匀,地震作用下房屋破坏如图?所示，没有剪力墙的一端 柱了塌落，楼板塌下。亡图？宫成冲层结构的平面和剖面平面剖而湖北工业大学硕士学位论文图？宫成冲层房屋破坏房屋一端塌落破坏的角柱唐山地震中，天津厂厂房也遭到严重破坏。厂房平面如图？，厂房中间有温度缝将厂房分

22、成两个独立结构单元，每个单元的一端有砖砌体做成 的多层生活问，生活间与中间的单层厂房刚性连接,造成每个独立结构单元两端 质量和刚度相差悬殊。地震作用下厂房产生了很大扭转，厂房内钢筋混凝土柱出现典型的交叉裂缝，地憲后厂房全部拆除。图天津厂厂房平面和破坏厂房平而图厂房钢筋混凝土柱的交叉裂缝湖北工业大学硕士学位论文医院的精神病诊疗所，在年美国圣非南多地震中与?医院主楼同时遭到严重破坏如图？。这幢建筑只有二层,但平面复朵如图，第一层和第二层的平面布置不同，使结构的框架方向改变，有些柱子上、下错位，有些柱子上、下的形状和长边方向改变，述有布置深梁后成的短柱。年地震时底层柱全部折断，上层整体塌落在一层的废

23、墟地面上。地震后观测,第二层房屋向南移动，并反时针转动了。冀。懈唧讹僦慨蝴通一黛通够賛”翠罐图震后的？医院精神病诊疗所美国阿拉斯加州安格雷奇市第五大街层商业建筑。.,其南立面、西立面及东立面北侧跨外墙采用高现浇钢筋混凝土剪力墙，仅首层局部开设门洞;其东立而南侧跨设层高剪力墙。框架方柱x。其首层平面图见。地震后,其东、北立面帅厚预制填充墙板破坏,东立面北侧跨剪力墙朝内倾倒破坏，东北角坍塌，东南角外墙二层外移，见图？。其破坏原因为剪力墙不对称诱发的扭转彼坏。湖北工业大学 硕士学位论文图.首层平面图图？震后台湾云林县斗六市大智路屮山国宝二期层钢筋混凝土框架结构住宅，获台湾建筑设计金奖。该建筑结构平面

24、布置如图？。但在台湾地震后，弱连 系梁的块柱框架结构分别向左、右倾倒，不可修复。其破坏是楼板不连续、 凹凸不规则诱发薄弱结构率先破坏。湖北工业大学硕士学位论文 图？台湾云林县斗六市大智路层钢筋混凝土住宅平面图乌鲁木齐军区卫生学校是一幢三层砖房，两段儿乎每开间均有横墙，而东段多为两开间或三开间的人房间。震害调查发现，西山墙破坏轻微，丽东山墙 则发牛严重的剪切破坏。阳江的一座二层砖房，西段内横墙从底层层连续布置;东段二层的内横墙由大粱承托，而底层无内横墙,仅剩下一道东山墙。年发生级地震, 该建筑位于度区，震后，西山墙仅发现细微裂缝,东山墙则发生严重交叉斜裂 缝，缝宽达。海城县农电局办公楼和农机站办

25、公楼，均为形平面的三层砖房,两座建筑物在建筑场地上对称布置。年海城地震，该建筑位于度区，震后农电局 办公楼的左翼西山墙与对称位置的农机站办公楼东山墙，均发牛程度和同的 严重破坏，交义斜裂缝的宽度均达;而两幢砖房其余部位的破坏程度，相对而吉 要轻得多。单层厂房以横向破坏为主时，靠近山墙的排架破坏轻，远离山墙的排架破 坏重;仅一端有山墙的厂房区段，伸缩缝附近排架柱的破坏程度，比其它排架 柱的破坏严重得多。表明在屋盖发挥空间作用的同时，也产生了明显的水平变 形：同时，厂房存在着扭转振动。扭转的计算方法湖北工业大学硕士学位论文假设楼盏平面内刚度无限大将质量分别就近集中到各层楼板平面上，则扭 转耦联振动

26、时结构的计算简图可简化为图？的串联刚片系。每层刚片有个自 由度，即、两方向的平移和平面内的转角妒。当结构为层时，则结构共有 个自由度。攀图平动扭转耦联振动时的串联刚片模型,振型第层质心处的地震作用 在自由振动条件下，任一振型.,在任意层具有个振型位移，即两个正交的 水平位移，、和一个转角位移仍，。按扭转耦联振型分解法计算时，振型第, 层的水平地震作用标准值按下列公式确定图？：”巴，口%. o一妒。式中食、?分别为/振型第层的方向、方向和转角方向的地震作用标准值:月扩一。？?分别为振型第层质心在工方向、方向的水平相对 位移:竹,?,振型层的和对扭转角；口，？?与第振型口振周期和应的地 震影响系数

27、;？?层转动半径，y 以为第层绕质心的转动惯量，卅， 为第层的质量,，。，为计入扭转的振型参与系数，按下式确定： 上lo9当仅取方向地震作用时,。？?土?-工iv巧砖'e匕9当仅取方向地震作用时,%?？?刀巧，'。湖北工业大学硕士学位论文? 当取与方向斜交的地震作用时，。，。其小，为地震方向与方向的夹角。按一式可分别求对应予每一振型的最大地震作用，这时仍需进行振型组合求结构总的地震反应。与结构单向平移水平地震反应计算相比，考虑平扭耦 合效应进行振型组合时，由于平扭耦合体系有方向、方向和扭转个主振方向，故平扭耦合体系的组合数比非平扭耦合体系的振型组合数要多，一般应为倍以 上。此外

28、，由于平扭耦合影响，一些振型的频率间隔可能很小，振型组合时，需考 虑不同振型地震反应问的相对性。因此。可采用完全二次振型组合法8法，按 下式计算地震作用效应：確磊。%。:尊坠型二一颤止西荷獗乏面丽式中，。？?地震作用标准值的扭转效应;？?所取振型数，一般取前个振型;，、。？?分别为、女振型地震作用标准值的效应;，、厶?分别 为、振型的阻尼比:，。？?，振型与振型的耦联系数;乃?振型与，振 型的自振周期比。；o与乃的数值关系.乃.表一给岀了阻尼比时与一，的数值关系，从表中可看岀，o随乃的减小而迅速衰减。当五，.时，不同振型之问相关性的影响可能较大。这说 明，当各振型的频率和近时，有必要考虑耦联系

29、数。的影响。当而时,两个振型间的相关性很小，可忽略不计。如果忽略全部振型的相关性，即只考虑自身 振型的相关,则式的组合式就化为，。、/;的组合式。由式可分别求出向水平地震动和向水平地震动产生的各阶水平地震作用，再按式?进行振型组合，分别求得由向水平地震动和向水平地震动产 生的某一特定地震作用效应如楼层位移、构件内力等，分别计为。和。由 湖北工业大学硕士学位论文于,和、不一定在同一时刻发生，可采用平方和开方的方式估计由双向水平 地震产牛的作用效应。根据强震观测记录的统计分析，两个方向水平地震加速度 的最大值不相等,二者之比约为，因此规范提岀按下面两式的较大值确定双向水平地震作用效应：9尉、:.或

30、99999999999j 99" 9j ;，式中，、，分别为向、向单向水平地震作用按?式计算的扭转效应"。减轻扭转破坏的方法由于地面运动、建筑物质量分布的不均匀、结构刚度计算的局限性、设计假 定的正确程度以及抗扭构件的非对称性破坏等将引发结构的扭转振动，高层 建筑结构的扭转振动是难以避免的。在设计中应尽量防止结构具有较人的扭转效 应，同时,在构造上采取措施，以减小扭转。,改善扭转效应改善扭转效应的原则:削弱屮闻，加强周边。改善扭转效应主要的方法有：建筑平面及其抗侧力结构平面布置规则、对称，并应具有良好的整体性;建筑 的立面和竖向剖而宜规则，结构的侧向刚度宣均匀变化，竖向抗侧

31、力构件的 截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力 突变: 尽量加大周边构件截面,增大平面抗扭刚度;加厚离质心较远处的剪力墙 厚度，使质心刚心重合，减小偏心率:平面凹凸不规则处加拉梁，有条件的应 增设拉接楼板：刚度很人的简体可加开结构洞以减小刚度偏心，楼板薄弱处部加厚。.抗扭措施,根据建筑高度的不同，选择合适的结构类型。框架结构和框架剪力墙结构中，框架和剪力墙均应双向设置，柱中线与剪 墙中线、梁中线与柱中线z间的偏心距不宜过大。湖北工业大学硕士学位论关于剪力墙:剪力墙宜贯通房屋全高，且横向与纵向剪力墙宜相连；设置在而不需要歼大洞口的位置;房屋较长时，纵向剪力墙不宜

32、设置在端开间:剪力 墙洞口宣上下对齐。框架一剪力墙基础应有良好的整体性和抗转动能力。，框架的角柱，其调整后的组合弯矩设计值、剪力设计值尚应乘以不小于】 增大系数。剪力墙各墙肢截面组台的弯矩设计值,一级剪力墙的底部加强部位及以上层,应按墙肢底部截面组合弯矩设计值采用，其它部位，应乘以增大系数。 一、二、三级剪力墙底部加强部位，其截而的剪力墙设计值应乘以增大系数，级为.，二级为.，三级为。侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架一剪力墙结构,任一层框架部分的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的%和按框架剪力墙结构分析的框架部 分各楼层地震剪力中最大值倍二者的较小值。柱的纵向钢筋,边柱、角柱及剪力墙端柱的

33、钢筋面积增大。新i口规范中关于抗扭设计的规定早在年，就已经明确指出，地震时地而运动存在着转动分量，但地面转动分量的强震观测是一项复杂的工作，由于受地震观测水平所 限，对转动分量的作用了解甚少，目前还有许多没有解决的问题,尽管也有一些 转动分量的记录，但是这些记录的可靠性难以保证。因此，对于地震运动的转动分 量引起的结构扭转效应研究较少,现有的研究主要是从理论方面进行一些探索; 国内外的震害经验表明，由于结构木身的不规则所造成的扭转效应是造成结构破坏的一个主要原因，在某些情况下，甚至可能是主要原因。因此，目前国内外研者以及各国的抗震规范对于结构的扭转效应问题的考虑主要集屮在结构本身的不规则性上。

34、结构的抗扭设计，一般从两个方面入手，一是减少地震引起的扭转二是増 加结构抵抗扭转的能力。 新旧规范结构扭转规定的对比我国新旧规范屮关于结构扭转规定的对比如表所示。湖北工业大学硕士学位论文表?我国新旧规范屮关于结构扭转规定的对比原规范卜页新规范对于不规则结构尤刚确规定.扭转不规则:楼层的屠大弹性水平位移，大于该楼层对规则结构有以下要求：两端弹挑水平位移平均值豹倍；叫房屋平面局部突岀韶分的长度凹凸币规则:结构平而凹进的尺寸，太于相应投绪不大于其宽度，且不大于该方向总影方向总寸的嘶：9长的;楼板局部不连续:楼板的尺寸和平面刚度具有急剧小 aq不房屋平面内质量分布和抗侧力连续性，其有效搓板宽度小于结构

35、平而典型宽度的构件分布基木均匀对称。%,或开洞面积人于该层楼哑面积的傩，以及楼层i时：胱型错层。则对于不规则结构无明确规定.%。玳 对规则结构有以下耍求：类房屋立面局部收进的尺寸，不型大于该方向总尺寸的:抗黝楼层刚度不小于接上层刚度的嗽%襄撤'凡连续三层总的刚度降低：分超过锥麟鬻革耋一鬣熬为篡髮茹煞对于不规则结构应考虑水平对于币规则结构,心考虑双向水平地震作用下扭转影'%0响,采用扭转耦联振型分解反应谱法计算效应，增加 地震作用下的扭转影响. 采用了双向水平地震效应纽台计算公式；扭转耦联振型分解反应谱法结构地震对于规则结掏可不进行扭转辐联计算对，平行于地震计算效应，投有给出双向

36、东甲簸应计算地震效应组台计算公式；作用方向的两个边棉，地震作用效应应乘以放大系方法数：搜有给出新规范、钓规定。一?三级框架角柱的组合弯矩设计值、剪力殳计值应乘以不小于的增大系数。对于平面不规则类楼层竖向构件最大弹性水平位位移限制无此规定移和层问位移分别不宜太于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的倍.在高层建筑混凝土结构技术规程？进步充增加了部分平面不规则结构类型的判别准则,如表?所示。表?结构平面不规则判别准则8湖北工业大学硕士学位论文 ?垂直于计算方向抗侧力结构长度杂高层建筑:考虑单向偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移或层间位移大于该楼层水平位移或层间位移平均值的倍：缓高

37、度高层建筑:结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第自振周期z比不应大于类高层建筑、钢筋混凝土混合结构、复杂高层建筑:结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比不应大干平面狭长平面长宽比过大:抗震设防烈度度抗震设防烈度凹凸不规则度或凹进太多:/ 一抗震设防烈度，0度/ 一抗震设防烈度度或凸出过图一细，凸出部分长宽比过大:/抗震设舫烈度，度/抗震设防烈度度楼板开洞凹入后有效楼板宽度小于浚屠楼楼板局部不板其型宽度的% ，或开洞面积。开洞凹入处,楼板最小有效宽度。口且连续图大于该层楼面面积的。，或采用一侧楼板壤小有效宽度。n9细腰形平面司上图平面扭转不规则图例湖北工业大学硕士学位论文龍口

38、一s翔粥扪嚏s守一图一平面凹凸不规则图例协勵一曲唧四图?楼板局部不连续图例 一致的规定在原规范中规定,考虑结构扭转效应时，一般只能取各层质心为和对坐标 原点，按多维振型分解法计算,其振型效应彼此耦联，组合用完全二次型方根 法，可以由计算机运算。在新规范中，主要对四个方面进行改进：即使对于平面规则的建筑结构，国外的许多抗震设计规定也考虑由于施工、 使用等原因所产生的偶然偏心引起的地震扭转效应及地震她面运动扭转分量 的影口自。修订中要求规则结构不考虑扭转耦联计算时,应采用增大边棍结构 地震内力的简化处理方法。增加考虑双向水平地震作用下的地震效应组合。根据强震观测记录的统计分析,二个水平方向地震加速

39、度的最大值不和等，二者z比约为：.；而且两个方向的最大值不一定发生在同时刻，因此采用平方和开方计算两个方向震作用效应的组合。扭转刚度较小的结构，如某些核心筒一外稀柱框架结构或类似的结构，第振型周期为乃，或满足乃.；，或乃，对较高的高层建筑死:，湖北工业大学硕士学位论文或:,均应考虑地震扭转效应。但如果考虑扭转影响的地震作用效应小于考虑偶然偏心引起的地震效应时，应取后者以策安全。但二者不叠加计 算。増加了不同阻尼比时耦联系数的计算方法，以供高层钢结构等使用。湖北工 业大学硕士学位论文第章软件计算原理模型简化柱、梁及支撑柱、梁及支撑包括斜柱、斜梁等均为一维构件，可用两端带刚臂的空间杆单元来模拟其受

40、力状态。由于高层结构屮柱、梁的截而尺寸较大,剪切变 形的影响是不可忽视的的空间杆单元单刚阵中考虑了剪切变形的影响。,剪力墙剪力墙是高层结构中的主耍抗侧力构件，既承受水平荷载的作用，又承受竖 向荷载的作用。在小，剪力墙是用墙元来进行模拟的。壳元是在墙元的基础上凝聚而成的，所选用壳元的好坏直接决定了墙元的性 能和效率。考虑到分析精度、计算效率等因素,并考虑到通常高层结构中剪 力墙厚度不大等条件，一般可简化为薄壳，采用四节点等参平面薄壳单元。这种壳 元为平面应力膜与板的叠加，墙元不仅具有墙所在平面内刚度，也具有平面外 刚度，可以较好地模拟工程屮剪力墙的真实受力状态。.楼板楼板主要承受楼面竖向荷载作用

41、，可以用平面板元或壳元來模拟其受力状 态。在过去的高层结构分析模型小，多采用“楼板平面内无限刚”的假定,可减少 口由度，简化结构分析。但在某些工程中，此假定可能导致较大的计算误差。为 保证一定的分析精度，对楼板有四种假定:假定楼板整体平面内无限刚；假定楼板分块平面内无限刚；假定楼板分块平面内无限刚，并带有弹性连接 板带；假定楼板为弹性板。适用于多数常规结构:适用于多塔或错层结构;适用于楼板局部开大洞、塔与塔之间上部相连的多塔结构及某些平面布置较特殊 的结构:模型化课最小，但计算量最大,可用于特殊楼板结构或要求分析精度高的 高层结构。对于转换层中的厚板，则采用厚板单元来模拟。湖北工业大学硕士 学

42、位论文.模拟施工加载计算高层结构的竖向荷载由恒载与活载两部分组成。一般来说，高层结构的活载 都较小，仅占竖向荷载的隅%，大体上与施工荷载和当。可以认为,在竖向荷载作用下，结构变形基本上是在施工过程中逐层形成的。在旌工过程中, 由于逐层找平的原因，在某一层加载,该层及其以下齐层的变形不受该层以上齐 层的影响，而ii也不影响上面各层。结构在竖向荷载作用下的变形情况形成过程 如图?所示未考虑地基不均匀沉降，图中最表示第层在垂直荷载作用下的位移向 量，其中9卤工矗9疋工：o,°赫芦闽记孔，腮尉图一竖向荷载作用下结构变形形成示意强按图进行结构分析时，玩的求解要形成个不同结构的刚度矩阵，解次方程

43、，计算量太大，有一定困难。现假定在某一层加载时，该层及其以下各层变形受其上备层刚度的影响，即结构的变形是一次完成的，引入这一假定后,-可用图?近似表示。湖北工业大学硕士学位论文&图？竖向荷载作用下结构变形形成近似示意图在中，是按图?模拟施工加载的，即“模拟施工加载”，适用于基础没有不均匀沉降或基础不均匀沉降很小的工程。在本工程计算时，即采用 的是此种模拟施工加载方式。:.船傩鲫瓠。,ii图?模拟施工加载计算简图刚度矩阵梁元，瀛譬睦虱图？粱元简图湖北工业大学硕士学位论文如图所示梁元局部坐标系，在，端的内力、位移分別为 陂，'，：试函ii,以,，：则单元的平衡方程为:尼。其中:忆。

44、，巧，占。衙，占9?,9i999昏了,丽丽一等一簣器i仗，仗妒。三万痂,等磐s以为剪切不均匀瓶旷等券慷警s百吼,霞为剪切影响系数。.,柱元湖北工业大学硕士学位论文图柱元简图如图所示柱元局部坐标系，同梁元一样，在，端有陂,，：备ii,，馥,，幺单元的平衡方程为：。醜。其中:忆。，巧，慨瞬,巧9,器一器警一器一等警湖北工业大学硕士学位论文。：肇na 一 sa 笔尘匕,方讦*方讦,。、丁缈。：坚坐，以，ii,为剪切不均匀系数缈。？云五一'以，ii,刀别例个列创系毅旷鲁等s警，旷可而哆面吼，仗为剪切影响系数 墙元平而应力膜采用的是“采用广义协调条件构造的具有旋转自由度的四边形膜元”，板采用的是

45、“基于离散理论的四节点等参单元”。壳元的每个节点有六个自由度,其中三个为膜自由度“，眈，三个为板弯曲自由度，目o o.壳元的膜部分尝“洲图？四边形膜元单元的几何描述如图?,每个节点有两个线自由度和一个平而内转角自由度,单元的节点位移向量为：【砂。，疋屯,。】每个节点的位移向量为:侈。，目。其中：“，、。为点线自由度，为节点的附加平面内旋转自由度。湖北工业大学 硕士学位论文o %冶喜麓。爱，麓仔，有：蜘阱淞湖北工业大学硕士学位论文o是为提高单?计算精度而引入的泡状位移场：四，咿修淞vn式小：iv。一亭一智:，、：为任意参数，记【iv。】分'iv。菇：，则单元的应变场可写成:妇陋nq &#

46、39;哆，按照上述条件构造的单元刚度矩阵可写成：】：。卜一ix,】声】？式中:%。】小旧刁】小陋，】r,【嘲叫掣砰.壳元的板部分图板弯曲单元示意图单元描述如图所示，vi,每个角点有三个参数：以,，口。， 每个边小点有两个参数：以,单元函数为：以匚，9守l, %湖北工业大学硕士学位论文其中:为节点插值函数南:一姜一拉扯扣一言iv。iv -iv也一扌ii一圭iv,丢iv。- iv虬孝vi们矿iv-vi /孝咖扣聊制跚仇珥专/o图边界切线、法向示意图引入理论的直线法假设，在角点上，冉。斗vi、在各边屮点良,%耻沿各边界扩上的位移可由其两端节点的四个参数，掣,，iii定义为一次函数:，一，型丝西型扎广

47、叫土%湖北工业大学硕士学位论文其中。为,边的边长，、分别表示扩边界的法向和切向，如图综合上述条件可得单元的广义应变矩阵目。以9卩引钟o缸却壳元板部分的单刚叮写成:, .喇叩其中【，为板的弯曲弹性矩阵。记一个墙元有个出口节点,个内部节点，墙的平侧月任可写成:睁四陋嬲嘲网由上式可得到经凝聚后的墙元单元刚度矩阵和右端项9:阻。卜，。】9j 一,】。】【】由于求逆阵【】的计算量比较大,为了提高效率，记9防，】。】，则有9防,】按上式可通过解线性方程组的方法求岀防,，则、式可改写成9:。卜，】防。9'】陋】一区，】湖北工业大学硕士学位论文.弹性楼板软件以三角形薄壳单元、矩形薄壳单元和四节点等参薄壳单元模拟普通的弹性楼板单元，以三角形厚板单元和四节点等参厚板单兀模拟转换厚板的 弹性楼板单元。弹性楼板单元的处理过程与墙元类似。单元的转换矩阵 局部坐标系到整体坐标系的转换粱、柱的局部坐标与结构的整休坐标系的关系如图，其坐标转换矩阵形式相同：吒,点矗其中口 口一口 口眈口?口甜图梁元、柱元局部坐标示意图任意方向的空间斜杆，其局部坐标与整体坐标的关系可由三个角度口，卢,描述,如图,坐标转换矩阵可通过