高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計若干問題

1、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計若干問題高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計若干問題深圳市力鵬建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所董事長、總工程師深圳市力鵬建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所董事長、總工程師魏璉魏璉今天講的東西，不管講多講少，很多都體現(xiàn)了深圳結(jié)構(gòu)設(shè)計的精英，比較優(yōu)秀的設(shè)計師他們的一些好意見和想法。另外稿子主要還是我的學(xué)生王勝博士來編寫的，很多工作也是以他做的，我沾點光到這里跟大家講一講，在這里向他們表示感謝。我的題目是“高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計若干問題”，為什么想若干呢？我就預(yù)計到我的

2、時間可能會不一定夠，我也可以講一個，也可以講兩個，也可以講三個，原來我們計劃是講五個，看樣子今天是無論如何不行了，我就講兩個、三個，如果行的話大家就聽下去，不行的話大家也可以提前離場。在深圳高層設(shè)計中，最近這兩年比較熱點的、議論比較多的問題有這么十個，實際上還不止這些。我們感覺這十個問題是大家比較關(guān)心的，也是比較有爭議的，也是經(jīng)常有人來提問的。在這里有幾個問題，剛才有幾位院士在講的時候已經(jīng)提到了，我可能講得比較具體一點，現(xiàn)在講第一個問題

3、，高層建筑周期和位移的關(guān)系，到現(xiàn)在還是有人來問我，超高層建筑，為什么不控制結(jié)構(gòu)的周期，你們?yōu)槭裁丛试S超高層建筑的周期那么長？現(xiàn)在我們知道五百多米的建筑周期已經(jīng)長到九秒多了。也有人問在風大的地區(qū)，風荷載比較大的地區(qū)，比如說香港，香港人家控制頂點位移，你們控制層間位移，這兩點有沒有什么關(guān)系？我想把這兩個解答一下。對不對大家來判斷了?，F(xiàn)在的規(guī)范對高層建筑的平動周期沒有提出要求，但都要求結(jié)構(gòu)在風和水平地震作用下的層間位移進行驗算和控制。對于高層

4、建筑在一定的質(zhì)量狀態(tài)下，如果我們控制了層間的位移，是不是還要另行同時控制結(jié)構(gòu)平動基本周期呢？反過來我們要控制結(jié)構(gòu)的平動周期，我們是否要控制結(jié)構(gòu)的位移呢？我們說結(jié)構(gòu)的位移和結(jié)構(gòu)的自振周期是息息相關(guān)的，而且結(jié)構(gòu)的位移是隨著周期的增大而單調(diào)的增長。先看單質(zhì)點結(jié)構(gòu)，單質(zhì)點結(jié)構(gòu)的位移可以用這樣的公式來表達，這就是周期，這個是對應(yīng)周期的地震影響系數(shù)，M是質(zhì)體的質(zhì)量，這個大家多很清楚。剛才的公式大家看到對單質(zhì)點結(jié)構(gòu)位移是隨著周期的增長而單調(diào)的增長。高

5、層建筑我們看一看，高層建筑的情況怎么樣呢？它在水平地震周期下，對應(yīng)的公式是第一振型參與系數(shù)，第一振型的頂點振型位移。我們就知道結(jié)構(gòu)的頂點位移按平方和開方的原則可以用下面的公式表示。我們可以把第一振型的位移勾出來，把前面的公式帶進去。這個公式是考慮多振型對頂點位移的系數(shù)，我們可以簡單寫成頂點位移考慮高振型的影響系數(shù)，在第一振型的參與系數(shù)和第一頂點的位移，這個都是已知的值，再乘上單質(zhì)點的位移。很有意思的是，這個位移系數(shù)如果大家做得多，細心的

6、話大家就會發(fā)現(xiàn)這個系數(shù)很接近1，很穩(wěn)定的系數(shù)。是表明，結(jié)構(gòu)的頂點位移也是隨著它的基本平動周期的增長而增長。用下的扭轉(zhuǎn)問題主要是由第二原因作用的。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度與扭轉(zhuǎn)周期的關(guān)系，我們可以很簡單的對一個單層的對稱結(jié)構(gòu)，求得他的扭轉(zhuǎn)周期。從這個過程中可以看到，扭轉(zhuǎn)剛度越大周期就越短。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期與扭轉(zhuǎn)位移角的關(guān)系，扭轉(zhuǎn)敵陣動作用下，得出一個公式，這個公式我們也可以看到這個扭轉(zhuǎn)角也與結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期密切相關(guān)，當然我們現(xiàn)在不知道是什么關(guān)系，扭轉(zhuǎn)角也是隨

7、著扭轉(zhuǎn)周期的增大而增大。當然我們也可以通過對高層建筑進行應(yīng)的論證，那個數(shù)學(xué)證明太困難了，我們也沒必要在這方面花太大的精力。但是我們可以看到控制高層建筑的扭轉(zhuǎn)周期，既然扭轉(zhuǎn)周期和扭轉(zhuǎn)是這樣對應(yīng)的關(guān)系，控制高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期實際上實質(zhì)內(nèi)涵是控制結(jié)構(gòu)在地震作用下樓層扭轉(zhuǎn)角和扭轉(zhuǎn)層間角，因為這個扭轉(zhuǎn)角對于結(jié)構(gòu)的受力、受扭、抗扭、抗震是有關(guān)系的，這是我們的理解，不一定對。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來什么問題？由于地震作用對各樓層產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角和層間扭轉(zhuǎn)

8、角，對抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計有三個問題是需要面對和處理的，就三個問題：第一個問題，是由于樓層的扭轉(zhuǎn)，邊端的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)增加了扭轉(zhuǎn)引起的附加位移，導(dǎo)致邊端抗側(cè)力構(gòu)件位移增大。第二個問題，樓層豎向構(gòu)件同時產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)角，這就在豎向構(gòu)件截面內(nèi)產(chǎn)生了附加扭矩。而這一項是很關(guān)鍵的。第三個問題，樓板因扭轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生了較大的面內(nèi)應(yīng)力。這是樓板里面面應(yīng)力解決的。這三個問題第一個問題是通過規(guī)范扭轉(zhuǎn)位移比來解決的?？刂婆まD(zhuǎn)位移比，起著控制邊端構(gòu)件由扭轉(zhuǎn)引起的附加位移值的作

9、用。反映了扭轉(zhuǎn)位移角的大小，但并不是直接控制了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期，也沒有反映該扭轉(zhuǎn)角對樓層豎向構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)和樓板內(nèi)力造成的不利影響。樓板的扭轉(zhuǎn)帶動了豎向構(gòu)件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，上下樓層的扭轉(zhuǎn)角不同造成了豎向構(gòu)件有相應(yīng)的層間扭轉(zhuǎn)角，這個扭轉(zhuǎn)角對豎向構(gòu)件要產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩，這個在我們現(xiàn)在的抗震設(shè)計中是應(yīng)該通過構(gòu)件考慮扭矩作用，通過扭矩解決豎向構(gòu)件抗扭所帶來的作用。規(guī)范對第三個問題也沒有明確的規(guī)定，下一步要努力解決了。這是我們的初步結(jié)論，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定了扭轉(zhuǎn)周期

10、的限值，并沒有規(guī)定周期要大于多少、小于多少，而是通過扭轉(zhuǎn)唯一來表達的，它的目的可能是要限制扭轉(zhuǎn)位移不要太大，達到適當控制扭轉(zhuǎn)角。實際控制怎么樣？并不知道。另外我們通過扭轉(zhuǎn)周期比的限制來控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不要過大，有可能會出現(xiàn)下面三種情況：1、通過增加平動剛度扭轉(zhuǎn)周期比的要求，增加了這個剛度，當然這個剛度增大使比值減小了，如果是通過增大T1把T1放大就是把剛度縮小，實際上并沒有提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，也沒有降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)周期。扭轉(zhuǎn)周期沒有變化，光把

11、分母放大了，怎么能說它扭轉(zhuǎn)剛度增大了呢？扭轉(zhuǎn)周期值減小了呢？2、如果同時通過增大來滿足扭轉(zhuǎn)周期比的要求，我們實際控制的結(jié)果與我們控制的目標相違背。我們希望它小現(xiàn)在放大滿足比例就不合適了。3、不變T1，通過減少Tt，滿足扭轉(zhuǎn)周期比是有一定的效果。關(guān)于控制扭轉(zhuǎn)周期比討論，我們可以看到以下三點：①，控制扭轉(zhuǎn)位移比在一定程度上是起著控制扭轉(zhuǎn)周期，因而控制扭轉(zhuǎn)角不要過大的作用，但是它不能起控制扭轉(zhuǎn)周期和扭矩，能夠滿足相關(guān)的要求，它達不到這個要求。