L形平面框架-剪力墙结构扭转效应控制研究

李家尚

（机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州 450000）

【摘要】对于平立面复杂的结构，需要认真估计地震扭转效应对结构造成的不良影响。在相同偏心距下，不同的偏心方向可能是影响结构扭转效应的重要因素。本文在前人研究的结论指导下，建立多个方案的结构模型，分析某L形平面不同偏心方向的扭转效应，为相似项目提供参考。

【关键词】不规则；扭转效应；框架-剪力墙结构；L形平面

1地震震害及其不确定性

地震作为现在世界上最具有破坏性的自然灾害之一，对我国的影响也是极其重大的。我国地域广袤，幅员辽阔，周边有着太平洋地震带和欧亚地震带，地震频频发生，给我国带了极大的人员和经济损失。随着城市土地越来越紧张对建设场地形状的限制，以及人们对建筑造型、外观和使用功能的更多需求。这些原因使得现在体型复杂、平立面不规则的建筑在城市中越来越多。然而以往的震害资料表明在地震作用下平立面不规则的结构很容易发生扭转破坏，给人们生命财产安全形成巨大威胁甚至造成巨大损失。例如2008年汶川地震、2010年玉树地震、2013年芦山、2022年泸定地震和2023年积石山地震等都给我国造成了严重的灾难。

而因为地震的产生的原因和机制复杂而有偶然性，使得地震的发生具有很强的突发性和随机性，使得现有的科学技术手段很难对地震进行预测。而地震给人们带来的重大的人员和经济损失的重要原因就是对建筑物的破坏。我们面对地震灾害来临的手段，就是提前做好防范工作。因此不断提高建筑物的抗震性能是一个长久且必须的要求。

2框架-剪力墙结构特点

框架-剪力墙结构同时兼顾了框架结构和剪力墙结构的优点：空间分割灵活；经济性好，节省抗震材料；有较高的抵抗水平荷载能力，抗震性能较好。在框架-剪力墙结构中，剪力墙承担主要的水平荷载，框架承担主要的竖向荷载。框架-剪力墙是最为典型的双重抗力结构体系，框架和剪力墙通过楼板连接进行协同工作，剪力墙作为地震作用下第一道防线，框架作为第二道防线，依次形成的二道防线抗震性能优异，使得框架-剪力墙结构是我国高层建筑中运用最为广泛的建筑结构体系。

3国内外对不规则的定义

建筑平面规则与否对结构的扭转效应有很大影响，各国的抗震规范也对结构的不规则性给出了判断的标准，这些标准对规则性的判定不尽相同，例如欧洲的EC8、美国的UBC、NEHRP、IBC以及我国的《抗规》等。我国对结构平面不规则的规定在《建规》中进行了说明。“楼层两端抗侧力构件在具有偶然偏心的规定水平力作用下的弹性水平位移（或层间位移）的最大值与平均值的比值大于1.2”为扭转不规则。“凹进的尺寸，超过对应方向总尺寸的30%”为凹凸不规则。“有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层等因素造成的楼板尺寸和平面刚度急剧变化”为楼板局部不连续。

4扭转效应控制

结构本身的不规则包括三个方面：1）由于结构平面的不规则或者即使结构形状规则但荷载分布的不均匀等因素造成质心与刚心不在一块；2）结构在进入弹塑性阶段后由于刚度迅速减小造成的不均匀不对称引起的扭转；3）施工的误差以及假设与实际情况的差异等不确定性引起的刚度中心与实际的偏移。上述原因是影响建筑结构扭转效应的主要因素之一。影响建筑结构扭转效应的因素还有由于地震波的复杂性，除了与三个主轴平行的分量外还有绕三个主轴的扭转分量，以及地震波传导的相位差，这使得即使结构平面形状规则和荷载对称，还是会受到地震扭转的影响。

国内外规范对结构扭转效应指标控制的指标主要有位移比、相对偏心距和扭转周期比。在《高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应》一文中徐培福等认为，耦连反应对结构的扭振效应有明显的增大作用，且应采取措施来减小结构的周期比这两个为影响结构的扭转效应的重要因素。现行的《高规》则从位移比和周期比两个方面来控制高层建筑的扭转效应。

4.1 位移比

中国的《抗规》在位移比方面的规定主要在对结构的规则性判断上。位移比指考虑偶然偏心在力的用下最大水平位移或楼层间的位移与该平均位移的比值，它是评定扭转效应的重要指标，规范规定位移比不宜大于1.2。

4.2 周期比

《高规》中规定对于A级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T1之比不应高过0.9。周期比反映了其抗扭刚度和抗侧刚度的相对大小，没有直接反映结构的扭转效应，但是与、位移比有一定的相关性，也是影响结构扭转效应的重要因素之一。

然而《建筑结构抗震设计扭转周期比控制指标研究》一文也指出扭转周期比只有在结构相对偏心距较小的时候才能起到控制作用，其他情形下并不能单独反映结构扭转效应的大小，作为结构的控制指标还值得探讨。

5工程实例

5.1 工程概况

在实际工程设计当中，某项目高度75.25米，其中地上共15层，项目所在地的抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.15g,

设计地震分组为第二组，建设场地为Ⅲ类场地，特征周期为0.55S，基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙度C类，重现期为50年。建筑物的平面呈L形，突出平面33.2m，突出比例为33.2/51 =65%，超过《抗规》中限制的30%，属于平面不规则里边的凹凸不规则。《高规》3.4.6的“条文说明”指出，当平面有较长的外伸时，外伸部分容易产生局部的震动从而引发凹角处应力集中和破坏。

5.2偏心方向的影响

结构扭转效应与刚心质心之间的偏心距有关，这一观点在之前的研究中已经取得了共识。然而，对于L形平面这种形式，偏心方向也可能影响结构的扭转效应。为研讨在相同偏心距下不同的偏心方向对扭转的影响，建立平面形状相同而结构布置不同的八个模型。现假定质心的位置不变，改变剪力墙的位置使不同布置方案的刚心位置相对于质心有不同的方向，刚心分别在质心上边、左上边、左边、左下边、下边、右下边、右边、右上边。为控制其他因素的影响，这几个模型在同一楼层采用相同的混凝土标号，相同的板厚及梁柱截面尺寸，都是带有3层地下室的地上5层的结构。

计算后发现质心的位置变化很小。而剪力墙的不同布置方案又对结构刚度的影响有很大改变，使结构刚心的位置变化的敏感度要远大于结构质心位置的变化。将八个模型的刚心质心位置汇集于一张图中发现扭转效应较大几个方案的刚心又几乎关于结构的质心对称，可以得出，在相同的偏心距下，该特定结构的刚心在关于质心呈一定角度范围内时结构的扭转效应较小，而在这个角度范围外时扭转效应较大。

结束语

建设场地形状的限制以及人们对建筑造型、外观和使用功能的更多需求使得现在体型复杂、平立面不规则的建筑在城市中越来越多。而体型复杂、平立面不规则的建筑在地震作用下很容易发生扭转破坏，给人们生命财产安全形成巨大威胁甚至造成巨大损失。鉴于地震作用对不规则结构带来的扭转破坏，讨论影响结构扭转效应的主要影响因素非常重要。基于7度0.15g平面呈L形建筑，对工程建立了偏心距相同而偏心方向不同的八个方案的模型，与参照方案的模型作对比，研究在地震作用下偏心方向对结构的扭转效应的影响。通过分析，得出“在相同的偏心距下，不同的偏心方向也会影响结构的扭转效应。对于本工程，结构的刚心在关于质心呈一定角度范围内时结构的扭转效应较小，而在这个角度范围外时扭转效应较大”的结论。在找出适合本工程模型的同时，也希望可为相似工程提供一些经验参考。

参考文献

[1]马晨.L型平面不规则高层框-剪结构抗震设计研究与实例分析[D].西安建筑科技大学, 2013

[2]吴京洲.考虑扭转效应的RC框架-剪力墙结构抗侧性能非线性仿真分析[D].南昌大学, 2020

[3]魏琏,王森,韦承基.高层建筑平动周期及扭转周期比的控制问题[J].建筑结构,2014．06(44)：1~13

[4]周元元.L型平面不规则体系的抗震性能分析[D].沈阳建筑大学, 2014