[科普中国]-扭转效应

平面L形高层建筑结构的刚度中心与质量中心偏离较大,在水平地震作用下平移振动与扭转振动扭耦合。

L形高层建筑结构在地震作用下的扭转振动是难以避免的。其原因在于:不仅地面的扭转运动(地面运动的相位差)将引发建筑物的扭转振动;而且建筑物质量分布平面和竖向不均匀、结构平面布置的不规则,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等都会引起建筑物产生扭转效应。

L形结构的动力特征参数研究影响结构扭转效应的主要因素有:楼层偏心距、偏心层楼层位置、强度偏心距、结构基本周期、频率比等。反应扭转振动效应在文献中引入了θr/u:即结构顶部相对扭转响应。

θr/u=θr/u(e/r,Tt/Tl)

其中,e/r为相对偏心矩,Tt/Tl为扭转振动为主的第一周期与平动为主的第一周期之比。在一定范围内,e/r值越大则也越大,即扭转效应也越显著。这与结构平面布置中,要求结构布置均匀,对称,力求刚度中心与长期荷载作用中心尽可能接近,以便减少扭矩是一致的。1

影响因素提高构件的抗扭刚度可以降低扭转效应,为有效提高扭转刚度,应尽可能合理地布置具有较高抗扭刚度的构件在结构的适当位置。其次,结构抗扭刚度不能太弱,关键是限制结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期Tl之比。当两者接近时,由于振动耦联的影响,结构的扭转效应明显增大。抗震设计中应采取措施减小Tt/Tl的比值,使结构具有必要的抗扭刚度。周期是表达结构动力特征的重要指标,在宏观上反映结构物刚度。一般结构设计经验,前两个周期是平动周期,第三周期是扭转首周期。

L形建筑结构的前两个周期均为平扭混合周期。对于这样的异常情况的处理,要求我们对建筑结构周期有深入的理解。T1,T2,T3,…的排列,表面上是按周期长短顺序排列,但深层含义是按结构振动方向的强弱排列,所以上面T1,T2,T3,…排列,表明X平动最弱,Y平动强之,扭转再强之。另外结构振动是由不同振型叠加而成的,不同振型的参与度是不同的。T1对应第一振型,其参与度是最大的,往后逐渐减少。《高规》4.3.5“复杂高层建筑结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85”,目的就是控制建筑结构的扭转效应。

偏心率是影响结构扭转效应的重要因素之一。分析表明L形建筑结构偏心率比规则建筑结构大,因此,有关规范规定不规则建筑结构的偏心率不应大于15%,旨在控制扭转效应.1

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学