高层建筑结构设计规范与要求

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：表5-1 平面不规则类型表5-2 竖向不规则类型《抗震规范》和《混凝土高规》对结构扭转规则性的要求还有一些具体规定。在上述两项要求不能满足时，规范要求调整结构布置，使平面布置均匀化，或加大抗扭刚度。地震作用附加偏心距以后，计算的位移比超过规范允许值，只是说明按照我国的抗震设计要求，结构的抗扭能力需要加强。

《抗震规范》和《混凝土高规》对高层建筑的结构布置所做的一些规定，就是从概念设计出发，与概念设计是一致的，但是规范和规程终究有局限性，只能针对一些普遍的、典型的情况提出要求，对于千变万化的各种结构，需要结构工程师运用概念做出设计，并进行具体分析和采取具体措施。

在结构的规则性要求方面，为便于执行，规范和规程中给出了一些量化指标，在多数情况下是可行的，有些情况下，可以运用概念设计的规律略作调整，或采取其他有效措施。

《抗震规范》明确提出三种平面不规则类型和三种竖向不规则类型和定量指标，见表5-1和表5-2，并要求对不规则结构的设计和构造采取措施。

表5-1 平面不规则类型

表5-2 竖向不规则类型

《抗震规范》和《混凝土高规》对结构扭转规则性的要求还有一些具体规定。例如对于扭转不规则，除了表5-1中的要求外，进一步提出：①在考虑偶然偏心影响的水平地震作用下，楼层最大弹性水平位移和层间位移不应超过的限定值：A级高度的高层建筑不应大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移平均值的1.5倍，B级高度的高层建筑不应大于平均值的1.4倍；②结构扭转为主的第一自振周期T_t与平动为主的第一自振周期T₁之比，A级高度的高层建筑不应大于0.9，B级高度的高层建筑不应大于0.85。

在上述两项要求不能满足时，规范要求调整结构布置，使平面布置均匀化，或加大抗扭刚度。关于这个规定，有一些问题需要讨论和注意^【83】。

1.位移比与结构规则性的关系

结构是否规则、对称，平面中刚度是否均匀是结构本身的性能，可以用结构的“刚心”与质心的相对位置表示，二者相距较远，则地震作用下的结构扭转角可能较大。

规范要求计算的位移比是在楼板无限刚性的假定下，由结构一条最长的边缘的最大和最小位移值计算得到的，用以概念性地表达扭转角的大小，见图5-16a。由于扭转地震作用无法直接计算，规范采取了附加5%偏心距的方法估计扭转地震作用，也就是要求在附加5%偏心距的地震作用下，校核和限制结构位移比值。这个规定只是宏观的控制，便于操作，是一种简便的控制结构在地震作用下扭转的方法。

图5-16 扭转角与位移比

a）不附加偏心距，结构不对称，有扭转 b）附加偏心距，结构对称，有扭转

但是，结构是否规则？是否对称？却不能用附加偏心距的计算结果判断。

表5-3给出了一个规则结构在不同的结构布置时，计算的周期比和位移比^【84】。五种情况下，剪力墙布置都是对称的，因此第1周期中的扭转分量都为0，除方案1周期比不符合要求外，其他情况周期比都符合要求。对于位移比，进行了两种计算：不考虑附加偏心距和考虑附加偏心距的计算，层间位移角都符合规程要求。

从表中数据可见，不考虑附加偏心距计算时，所有的位移比均为1，都满足要求；如果按照附加偏心距的地震作用计算，则方案1和3位移比不满足要求。方案4和5，并没有增加剪力墙，只是建筑长度缩短了，一切都符合要求。

表5-3 规则结构的位移比和周期比

注：无括弧数据——无附加偏心距计算结果；

（）数据——有附加偏心距5%，中间某层数据；

[]数据——有附加偏心距5%，底层数据。

从这个典型结构的计算比较可以看出，规则且平面刚度布置对称的结构在附加偏心距的地震作用下，有可能不满足位移比要求，这个“不满足”主要是附加偏心距引起的，原本对称的结构，附加了偏心距，结构必然会产生扭转（见图5-16b）。

规范要求用附加偏心距的地震作用计算，是因为实际地震作用都会有扭转分量，但是迄今为止，对地震中的扭转分量无法给出定量的计算方法，附加偏心距是对地震扭转作用的模拟，这是一种公认的、用以提高结构的抗扭能力的近似方法，虽然这种模拟，十分粗糙，它对提高结构抗扭能力却是很有效的。但是它不能用于判断结构平面刚度是否均匀。地震作用附加偏心距以后，其计算结果不能反映结构自身的特性，不能由此得出结构平面刚度不均匀的结论，更不能以此作为依据去调整结构布置。

正确的做法是，若不能直观判断结构是否刚度均匀（在实际工程平面布置比较复杂的结构中，常常无法判断），那么先不要附加偏心距，直接计算地震作用下的位移比（即地震作用于质心处），由此判断平面刚度的均匀性，若结构布置确实不均匀，再行调整结构布置。

地震作用附加偏心距以后，计算的位移比超过规范允许值，只是说明按照我国的抗震设计要求，结构的抗扭能力需要加强。由表5-3的计算比较还可以看到，以结构的边长的5%计算偏心距，那末结构愈长，偏心距就愈大，愈容易出现位移比超限的情况。

另一种情况是，当建筑物高度不大、剪力墙较多的住宅建筑，或在高层建筑的底部裙房位置，常常出现位移比超限的情况（表5-3中所有结构方案底层的位移比都超限），这是因为底部结构的侧移很小，平均位移和最大位移都很小，但是作为相对值的位移比可能比较大，这种情况下没有必要按照规范的要求再做加强。

2.如何满足周期比要求

结构自振周期中的扭转周期与结构的抗扭刚度有关。结构抗扭刚度小，则扭转周期长，反之，扭转周期短。《混凝土高规》限制结构扭转周期与平动周期之比，目的是要求设计扭转刚度较大的结构，可以减小地震作用下的扭转反应，此外，结构的扭转自振周期对位移比也有影响，周期比符合要求的结构容易满足位移比要求。但是要注意，这只是一个经验的、概念性的定量要求，对于大多数结构而言，周期比的要求都比较容易满足。但是对于某些不利布置的结构，例如风车形布置的结构或长条形结构，它们的扭转周期会较长。有时调整结构布置会有困难。如果结构抗侧刚度很大，层间位移比较小，那么降低结构抗侧刚度、加长平移周期，是一个有效的改善周期比的方法（结构的抗侧刚度太大，并非有利于抗震）。

3.当经过努力调整结构后，仍不满足位移比要求

可以考虑以下状况分别处理：

如果结构刚度很大，最大位移在允许位移的1/2～1/3左右（或更小），位移比的限制可以放宽一些（多层、剪力墙结构、高层建筑的偏置矮裙房等，位移都较小），例如层间位移1/2000时位移比可放松10%，但位移比放松一般不超过20%。

当位移比超过1.5（B级超过1.4）时，成为特别不规则结构，我国规程不允许，可参考美国IBC规范做法加以处理。

美国IBC规范要求将外荷载产生扭矩及附加偏心距产生的扭矩之和乘以放大系数放大，见式（5-1）：

A_x（M_t+M_ta）（5-1）

式中 M_t——外荷载扭转；

M_ta——附加偏心距的扭矩；

A_x——放大系数；

放大系数由式（5-2）计算，但不大于3。