鋼管混凝土柱的非線性剪扭復合效應研究

【學員問題】彎剪扭構件的破壞形式的分類？

【解答】彎剪扭構件的破壞形式：

1、彎型破壞

M較大，T/M較小，且剪力不起控制作用。此時，彎矩起主導作用，構件底部受拉，頂部受壓。底部縱筋同時受彎矩和扭矩作用產生拉應力疊加，裂縫首先在構件彎曲受拉底面出現(xiàn)，然后向兩側面發(fā)展，最后三個面上螺旋裂縫形成一個扭曲破壞面。若底部縱筋配置不夠，則破壞始于底部縱筋受拉屈服，止于頂部彎曲受壓混凝土壓碎，，承載力受底部縱筋控制，且受彎承載力因扭矩的存在而降低，

2、扭型破壞

當扭矩T較大，而T/M和T/V均較大，且構件頂部縱筋少于底部縱筋扭矩引起頂部縱筋的拉應力很大，而彎矩較小，其在構件頂部引起的壓應力也較小，所以導致頂部縱筋的拉應力大于底部縱筋，破壞始于構件頂面縱筋先受拉屈服，然后底部混凝土被壓碎，所示，承載力由頂部縱筋控制……

3、剪扭型破壞

V和T均較大，M較小，對構件的承載力不起控制作用時，構件在扭矩和剪力的共同作用下，截面均產生剪應力，結果是截面一側剪應力增大，另一側剪應力減小。裂縫首先在剪應力較大一側長邊中點出現(xiàn)，然后向頂面和底面擴展，最后另一側長邊的混凝土壓碎而達到破壞，如果配筋合適，破壞時與螺旋裂縫相交的縱筋和箍筋均受拉并達到屈服。當扭矩較大時，以受扭破壞為主；當剪力較大時，以收件破壞為主。

以上內容均根據(jù)學員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。

高層建筑結構的扭轉效應十分復雜，而且扭轉效應極易導致結構破壞，因此在進行結構設計時，必須從控制結構振動特性的角度出發(fā)，調整結構布置，使結構布置既滿足建筑要求又使其計算結果滿足規(guī)范和規(guī)程的要求，同時采用基于性能的抗震思想來進行結構抗扭設計，確保結構在地震作用下不發(fā)生扭轉破壞。

1.結構扭轉破壞機理

根據(jù)材料力學可知，當一個構件受到扭矩作用時，離構件剛度中心越遠的地方剪應力越

大，剪切變形也越大。而在整體建筑結構中，當結構受到扭矩作用時，豎向構件將承受剪力。根據(jù)結構理論可知，構件的剪切破壞是脆性的。目前結構設計均基于小震作用的組合內力進行配筋，中震和大震主要是通過良好結構構造如“強柱弱梁更強節(jié)點，強剪弱彎”等構造措施來提高結構延性以達到耗散地震能量的目的。在中震和大震作用下產生的扭矩作用將明顯增大豎向構件的剪力，這將造成豎向墻柱構件不足以抵抗水平剪力，從而導致結構豎向墻柱構件發(fā)生脆性剪切破壞，甚至導致整個結構倒塌的嚴重后果。也就是說一旦由于扭轉作用而使得地震作用產生的水平剪力大于豎向墻柱構件所能承擔的剪力，整個結構將變成“弱剪強彎，弱柱強梁”的結構體系。顯然這種體系的耗能性能極差，結構將可能在瞬間發(fā)生脆性破壞而倒塌。因此，結構抗震設計應采取有效措施嚴格控制結構的扭轉效應并充分估計結構可能產生的扭轉效應，適當提高結構的抗扭能力。

2.引起結構扭轉效應的因素

1）地震波扭轉分量

實際地震波存在六個分量，即除了 X、Y、Z 三個水平分量外，還存在繞 X、Y、Z 軸的三個扭轉分量，其中繞 Z 軸的扭轉分量直接對結構產生扭矩。由于迄今為止，尚無法準確測定地震波的扭轉分量，因此目前的結構抗震設計理論一般都是僅考慮 X、Y 向水平地震作用，對于大跨度或者大懸臂結構還需要考慮 Z 向豎向地震作用，而沒有考慮實際存在的地震波扭轉分量的作用。這必然對結構的安全造成一定的隱患，甚至部分學者認為地震波扭轉分量的作用是造成結構破壞的最重要因素。

2）質心與剛心不重合產生的偏心距

在假設樓板是剛性的前提下，對于單層建筑結構，水平力通過某一點，不產生扭轉效應，此點就稱為剛心。對于多層建筑，剛心與單層建筑情況不同，一般是水平荷載和剛度分布的函數(shù)，即具有不確定性。當結構進入非彈性階段，結構各部分構件的剛度是變化的，也就是說剛度中心也是變化的。

地震作用時，地震力可簡化為集中在質心處的集中力 F。當結構質心與剛心重合時，地震力 F 剛好通過剛心，這時候將不產生扭矩。而當結構質心與剛心不重合時，而是存在偏心距e，這時在水平地震作用下不僅產生地震力 F，而且還會產生扭矩 T=F×e。顯然偏心距e越大，扭矩T也越大，扭轉效應越明顯。

除了客觀存在的偏心距外，《高規(guī)》還要求計算單向地震作用時應考慮 5％L 的偶然偏心的影響。這主要是考慮由于施工、使用造成的附加偏心距及地震扭轉分量等引起的不利影響。5％L 不是一個準確的數(shù)值，它是國內外通用的數(shù)據(jù)，是充分考慮扭轉效應的一種方法，有利于驗證和提高結構抗扭能力。

3）平動－扭轉耦聯(lián)的放大效應

設計中應考慮平動－扭轉耦聯(lián)反應，因其對結構的扭轉效應有明顯的放大作用，尤其當周期比Tt/T1大于0.8以后,結構相對扭轉響應增大更快，為了控制耦聯(lián)反應對結構的扭轉效應的放大作用，《高規(guī)》-3.4.5條做了如下規(guī)定：

結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、超過A級高度的混合結構及本規(guī)程第10章所指的復雜高層建筑不應大于0.85。

3.高層結構抗扭設計的方法與措施

1）調整結構平面布置的不規(guī)則性，減小結構相對偏心距。

調整結構平面布置的不規(guī)則性一般是在初步計算分析以后，從計算結果文件中找出結構的質心和剛心位置，從而判斷結構的剛度分布情況。然后再根據(jù)具體情況適當增加或者減少離質心較遠處的剪力墻，從而達到減小質心和剛心偏心率，改善結構扭轉效應的目的。

2）調整結構抗扭剛度與抗側剛度之比，控制結構周期比。

結構方案設計時，除了調整結構平面布置的不規(guī)則性減小相對偏心距外，還應該更加重視減小結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比。因為當兩者接近時，由于振動耦聯(lián)的影響，結構的扭轉效應明顯增大。

調整結構抗扭剛度與抗側剛度之比一般采取以下措施：

（1）在建筑允許的情況下，盡量加長或加厚周邊剪力墻尤其是離剛心最遠處的剪力墻，提高抗扭剛度，減小結構扭轉周期Tt。

（2）減少核心筒的剪力墻厚度或采用弱連梁連接剪力墻，從而減少核心筒剛度，削弱結構側移剛度，加大第一平動周期T1。

（3）在結構周邊加設拉梁，加強周邊連梁剛度，增強結構抗扭剛度，減小結構扭轉周期Tt。

（4）結構剛心附近的剪力墻對結構抗扭剛度貢獻不大，但對側移剛度貢獻較大，因此削弱剛心附近的剪力墻，可以加大第一平動周期T1。

（5）在既不能加強周邊剪力墻也不能削弱中部剪力墻的情況下，可以適當加強周邊框架梁的剛度，從而對結構整體形成套箍效應，增強結構抗扭剛度，減小結構扭轉周期Tt。顯然這種方法是不經濟的，只有在以上辦法都行不通的情況下才迫不得已采用。

3）適當提高周邊抗扭構件的抗剪能力，增強結構抗扭能力安全度。

目前關于結構整體扭轉破壞的機理研究還不是很深入，地震波的扭轉分量作用目前也不能定量分析，關于結構周期比及位移比的限值也是基于結構彈性分析得出的結論，對于結構進入彈塑性狀態(tài)下整體結構的扭轉形態(tài)的研究還相當不成熟。在這種情況下，僅僅依靠調整結構布置使其滿足規(guī)范對周期比和位移比的要求并不能完全保證結構在中震和大震作用下的安全。實際上當結構進入非彈性階段，在雙向水平地震作用下即使本來是對稱的結構，也會出現(xiàn)隨變形狀態(tài)而變化的偏心，如一角柱的變形進入塑性狀態(tài)后，剛度與彈性階段完全不同，而其他角柱可能仍處于彈性狀態(tài)，這時，水平力會產生很大扭轉效應，從而可能導致結構破壞。

從基于性能的抗震思想出發(fā)，對于那些對抗扭效應控制特別重要的構件如周邊剪力墻等應特別加強其抗剪能力，使其保證在中震作用仍然處于彈性狀態(tài)，從而達到保證結構“中震不壞，大震不倒”的目標。

4.工程實例分析

某公寓樓有一層地下室，地上為26層，標準層層高3.0米，總高度80米，結構體系采用框架剪力墻結構。該工程按7度抗震烈度設防，建筑抗震等級為二級，標準層結構布置如圖1.5.4-1。結構貌似規(guī)則，但實際左右兩邊不對稱，造成一定偏心，而且結構平面多處開洞。同時建筑大面積開窗，周邊不能設置太多剪力墻，造成結構抗扭剛度很小，初步結構方案時出現(xiàn)周期比和位移比均超出規(guī)范要求。

公寓樓標準層結構平面圖

在分析結構特性的基礎上，采取了以下措施：

（1）在滿足建筑的要求下，在結構周邊設置了四片剪力墻 W1、W2、W3、W4，明顯提高了結構抗扭剛度；

（2）將筒體剪力墻開洞后采用弱連梁將其連接，明顯降低其抗側剛度；

（3）根據(jù)建筑要求四周開大面積飄窗，將周邊大部分梁高做到1000mm，明顯提高周邊梁剛度，從而對結構整體形成套箍效應，從另一途徑提高了結構抗扭剛度；

（4）施工圖設計時，考慮到四片剪力墻 W1、W2、W3、W4對控制結構扭轉效應特別重要，基于性能的抗震思想適當加強了剪力墻的水平筋以提高其抗剪能力，提高了結構在中震和大震作用下的安全度。經過上述結構調整后，結構計算結果如表。

某公寓樓SATWE計算結果

計算結果表明，結構自振特性十分理想，第一周期和第二周期都是平動，且兩周期十分

接近，更理想的是前三周期沒有出現(xiàn)振型耦聯(lián)的混合型振型；第一扭轉周期T3與第一平動

周期T1之比T3/T1=0.825<0.85，滿足規(guī)范要求。在考慮偶然偏心的情況下，地震作用下X

向及Y向樓層豎向構件的最大水平位移與該樓層水平位移平均值的比值分別為1.11和1.20

地震作用下，X方向和Y方向最大值層間位移角分別為1/1182 和1/1407。

從計算結果來看，通過上述結構調整后，不僅結構各項指標滿足規(guī)范要求，而且達到較理想的結果，從而使設計的結構安全可靠，經濟合理。