建筑结构扭转振动效应控制指标的有效性研究

建筑结构扭转振动效应控制指标的有效性研究

王丽梅

王丽梅（甘肃省建筑设计研究院甘肃兰州730030）

摘要：以上海世博会中国国家馆及世博文化中心为工程背景，研究了“底部架空、上部出挑”结构的扭转振动效应。文中肯定了扭转位移比和扭转周期比作为此类结构扭转控制指标的有效性，但是扭转周期比作为“底部架空、上部出挑”结构扭转控制指标的有效性存在问题。本文通过理论推理，分析了结构扭转周期比超限的根本原因。结果表明，对“底部架空、上部出挑”结构而言，利用扭转周期比控制结构的扭转振动效应不尽合理，建议在有效控制结构扭转位移比的前提下削弱对扭转周期比的限制，结构设计中可采用平扭能量比代替扭转周期比作为此类结构扭转振动的控制指标。

关键词：建筑结构；扭转振动效应；控制指标；扭转位移比；扭转周期比；能量比

0.序言历次震害表明[1-3],建筑结构特别是不规则结构的扭转会加剧结构在地震中的破坏，因此，在结构抗震设计中，扭转振动效应的控制是十分必要的。各国规范均采用了扭转位移比来控制结构的扭转振动效应[4-6]，而我国的《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）[8]对扭转周期比（指以扭转为主的第一自振周期和以平动为主的第一自振周期之比）进行了控制。本文通过工程实例分析，使结构在满足扭转位移比的限制下，分析了扭转周期比超限的根本原因，讨论了对扭转周期比和扭转位移比联合控制结构扭转振动效应的不利影响，进而在《高规》的基础上提出控制结构扭转振动效应的方法以及设计建议。

1.工程背景1.1上海世博会中国国家馆主体结构上海世博会中国国家馆是世博会永久性建筑之一，被称为“东方之冠”[9]。国家馆屋面高度处从混凝土筒体出挑34.75m,不但使得结构重量沿竖向分布不均匀，还使得楼盖的转动惯量较大，导致结构的扭转周期比超限，使扭转周期成为结构振动的第一周期。

1.1.1国家馆主体结构的扭转振动效应用ETABS和PKPM软件对结构进行整体计算分析，各振型和周期计算结果如表1所示：表1结构各个振型和周期计算结果

《高规》规定，结构扭转周期比Tt/T1，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。从结构的计算结果可知，扭转周期比Tt/T1=1.13，不满足规范要求，且超限严重。然而，同济大学土木工程防灾国家重点实验室的模拟地震振动台模型试验的结果是：在模拟地震波作用下结构的扭转反应较小，表明此结构不会发生扭转破坏，同时也说明了扭转周期比不能作为此类结构扭转振动效应的控制指标。

1.2世博文化中心主体结构世博文化中心是上海世博会永久性场馆之一，其建筑造形呈空中飞碟状（图2），建筑总面积约为140277m2。该建筑物由18000座多功能场馆和环绕主场馆周围的六层附属用房及休闲区组成[11]。

1.2.1世博文化中心扭转振动效应分析用SAP2000对结构进行整体计算分析，各振型和周期计算结果如表2所示：表2结构各个振型和周期计算结果

从计算结果来看，结构的基本振型为扭转振型，扭转周期比超限。

但结构的刚度分布较为均匀，且结构具有相当大的侧向刚度，刚心与质心的偏心距很小，在地震作用下结构的变形也相对较小，证明结构不但具有足够大的刚度且分布均匀，内框架又采用钢结构体系，从而消除了结构发生扭转脆性破坏的隐患。经分析，虽然结构的基本振型为扭转振型，但其主体结构抗震性能良好。

2.结构扭转振动效应控制指标的有效性分析2.1扭转位移比的有效性分析

周期比也不能作为结构扭转不规则的判断标准；此类结构在计算位移比时亦不应计入悬挑部分的变形，否则不能真实反映结构的扭转变形情况；（3）平扭能量比可以作为衡量扭转振动效应的宏观指标，可用来控制此类结构的整体扭转振动效应。

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