钢管混凝土柱的非线性剪扭复合效应研究

【学员问题】弯剪扭构件的破坏形式的分类？

【解答】弯剪扭构件的破坏形式：

1、弯型破坏

M较大，T/M较小，且剪力不起控制作用。此时，弯矩起主导作用，构件底部受拉，顶部受压。底部纵筋同时受弯矩和扭矩作用产生拉应力叠加，裂缝首先在构件弯曲受拉底面出现，然后向两侧面发展，最后三个面上螺旋裂缝形成一个扭曲破坏面。若底部纵筋配置不够，则破坏始于底部纵筋受拉屈服，止于顶部弯曲受压混凝土压碎，，承载力受底部纵筋控制，且受弯承载力因扭矩的存在而降低，

2、扭型破坏

当扭矩T较大，而T/M和T/V均较大，且构件顶部纵筋少于底部纵筋扭矩引起顶部纵筋的拉应力很大，而弯矩较小，其在构件顶部引起的压应力也较小，所以导致顶部纵筋的拉应力大于底部纵筋，破坏始于构件顶面纵筋先受拉屈服，然后底部混凝土被压碎，所示，承载力由顶部纵筋控制……

3、剪扭型破坏

V和T均较大，M较小，对构件的承载力不起控制作用时，构件在扭矩和剪力的共同作用下，截面均产生剪应力，结果是截面一侧剪应力增大，另一侧剪应力减小。裂缝首先在剪应力较大一侧长边中点出现，然后向顶面和底面扩展，最后另一侧长边的混凝土压碎而达到破坏，如果配筋合适，破坏时与螺旋裂缝相交的纵筋和箍筋均受拉并达到屈服。当扭矩较大时，以受扭破坏为主；当剪力较大时，以收件破坏为主。

以上内容均根据学员实际工作中遇到的问题整理而成，供参考，如有问题请及时沟通、指正。

高层建筑结构的扭转效应十分复杂，而且扭转效应极易导致结构破坏，因此在进行结构设计时，必须从控制结构振动特性的角度出发，调整结构布置，使结构布置既满足建筑要求又使其计算结果满足规范和规程的要求，同时采用基于性能的抗震思想来进行结构抗扭设计，确保结构在地震作用下不发生扭转破坏。

1.结构扭转破坏机理

根据材料力学可知，当一个构件受到扭矩作用时，离构件刚度中心越远的地方剪应力越

大，剪切变形也越大。而在整体建筑结构中，当结构受到扭矩作用时，竖向构件将承受剪力。根据结构理论可知，构件的剪切破坏是脆性的。目前结构设计均基于小震作用的组合内力进行配筋，中震和大震主要是通过良好结构构造如“强柱弱梁更强节点，强剪弱弯”等构造措施来提高结构延性以达到耗散地震能量的目的。在中震和大震作用下产生的扭矩作用将明显增大竖向构件的剪力，这将造成竖向墙柱构件不足以抵抗水平剪力，从而导致结构竖向墙柱构件发生脆性剪切破坏，甚至导致整个结构倒塌的严重后果。也就是说一旦由于扭转作用而使得地震作用产生的水平剪力大于竖向墙柱构件所能承担的剪力，整个结构将变成“弱剪强弯，弱柱强梁”的结构体系。显然这种体系的耗能性能极差，结构将可能在瞬间发生脆性破坏而倒塌。因此，结构抗震设计应采取有效措施严格控制结构的扭转效应并充分估计结构可能产生的扭转效应，适当提高结构的抗扭能力。

2.引起结构扭转效应的因素

1）地震波扭转分量

实际地震波存在六个分量，即除了 X、Y、Z 三个水平分量外，还存在绕 X、Y、Z 轴的三个扭转分量，其中绕 Z 轴的扭转分量直接对结构产生扭矩。由于迄今为止，尚无法准确测定地震波的扭转分量，因此目前的结构抗震设计理论一般都是仅考虑 X、Y 向水平地震作用，对于大跨度或者大悬臂结构还需要考虑 Z 向竖向地震作用，而没有考虑实际存在的地震波扭转分量的作用。这必然对结构的安全造成一定的隐患，甚至部分学者认为地震波扭转分量的作用是造成结构破坏的最重要因素。

2）质心与刚心不重合产生的偏心距

在假设楼板是刚性的前提下，对于单层建筑结构，水平力通过某一点，不产生扭转效应，此点就称为刚心。对于多层建筑，刚心与单层建筑情况不同，一般是水平荷载和刚度分布的函数，即具有不确定性。当结构进入非弹性阶段，结构各部分构件的刚度是变化的，也就是说刚度中心也是变化的。

地震作用时，地震力可简化为集中在质心处的集中力 F。当结构质心与刚心重合时，地震力 F 刚好通过刚心，这时候将不产生扭矩。而当结构质心与刚心不重合时，而是存在偏心距e，这时在水平地震作用下不仅产生地震力 F，而且还会产生扭矩 T=F×e。显然偏心距e越大，扭矩T也越大，扭转效应越明显。

除了客观存在的偏心距外，《高规》还要求计算单向地震作用时应考虑 5％L 的偶然偏心的影响。这主要是考虑由于施工、使用造成的附加偏心距及地震扭转分量等引起的不利影响。5％L 不是一个准确的数值，它是国内外通用的数据，是充分考虑扭转效应的一种方法，有利于验证和提高结构抗扭能力。

3）平动－扭转耦联的放大效应

设计中应考虑平动－扭转耦联反应，因其对结构的扭转效应有明显的放大作用，尤其当周期比Tt/T1大于0.8以后,结构相对扭转响应增大更快，为了控制耦联反应对结构的扭转效应的放大作用，《高规》-3.4.5条做了如下规定：

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，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。

3.高层结构抗扭设计的方法与措施

1）调整结构平面布置的不规则性，减小结构相对偏心距。

调整结构平面布置的不规则性一般是在初步计算分析以后，从计算结果文件中找出结构的质心和刚心位置，从而判断结构的刚度分布情况。然后再根据具体情况适当增加或者减少离质心较远处的剪力墙，从而达到减小质心和刚心偏心率，改善结构扭转效应的目的。

2）调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比，控制结构周期比。

结构方案设计时，除了调整结构平面布置的不规则性减小相对偏心距外，还应该更加重视减小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。因为当两者接近时，由于振动耦联的影响，结构的扭转效应明显增大。

调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比一般采取以下措施：

（1）在建筑允许的情况下，尽量加长或加厚周边剪力墙尤其是离刚心最远处的剪力墙，提高抗扭刚度，减小结构扭转周期Tt。

（2）减少核心筒的剪力墙厚度或采用弱连梁连接剪力墙，从而减少核心筒刚度，削弱结构侧移刚度，加大第一平动周期T1。

（3）在结构周边加设拉梁，加强周边连梁刚度，增强结构抗扭刚度，减小结构扭转周期Tt。

（4）结构刚心附近的剪力墙对结构抗扭刚度贡献不大，但对侧移刚度贡献较大，因此削弱刚心附近的剪力墙，可以加大第一平动周期T1。

（5）在既不能加强周边剪力墙也不能削弱中部剪力墙的情况下，可以适当加强周边框架梁的刚度，从而对结构整体形成套箍效应，增强结构抗扭刚度，减小结构扭转周期Tt。显然这种方法是不经济的，只有在以上办法都行不通的情况下才迫不得已采用。

3）适当提高周边抗扭构件的抗剪能力，增强结构抗扭能力安全度。

目前关于结构整体扭转破坏的机理研究还不是很深入，地震波的扭转分量作用目前也不能定量分析，关于结构周期比及位移比的限值也是基于结构弹性分析得出的结论，对于结构进入弹塑性状态下整体结构的扭转形态的研究还相当不成熟。在这种情况下，仅仅依靠调整结构布置使其满足规范对周期比和位移比的要求并不能完全保证结构在中震和大震作用下的安全。实际上当结构进入非弹性阶段，在双向水平地震作用下即使本来是对称的结构，也会出现随变形状态而变化的偏心，如一角柱的变形进入塑性状态后，刚度与弹性阶段完全不同，而其他角柱可能仍处于弹性状态，这时，水平力会产生很大扭转效应，从而可能导致结构破坏。

从基于性能的抗震思想出发，对于那些对抗扭效应控制特别重要的构件如周边剪力墙等应特别加强其抗剪能力，使其保证在中震作用仍然处于弹性状态，从而达到保证结构“中震不坏，大震不倒”的目标。

4.工程实例分析

某公寓楼有一层地下室，地上为26层，标准层层高3.0米，总高度80米，结构体系采用框架剪力墙结构。该工程按7度抗震烈度设防，建筑抗震等级为二级，标准层结构布置如图1.5.4-1。结构貌似规则，但实际左右两边不对称，造成一定偏心，而且结构平面多处开洞。同时建筑大面积开窗，周边不能设置太多剪力墙，造成结构抗扭刚度很小，初步结构方案时出现周期比和位移比均超出规范要求。

公寓楼标准层结构平面图

在分析结构特性的基础上，采取了以下措施：

（1）在满足建筑的要求下，在结构周边设置了四片剪力墙 W1、W2、W3、W4，明显提高了结构抗扭刚度；

（2）将筒体剪力墙开洞后采用弱连梁将其连接，明显降低其抗侧刚度；

（3）根据建筑要求四周开大面积飘窗，将周边大部分梁高做到1000mm，明显提高周边梁刚度，从而对结构整体形成套箍效应，从另一途径提高了结构抗扭刚度；

（4）施工图设计时，考虑到四片剪力墙 W1、W2、W3、W4对控制结构扭转效应特别重要，基于性能的抗震思想适当加强了剪力墙的水平筋以提高其抗剪能力，提高了结构在中震和大震作用下的安全度。经过上述结构调整后，结构计算结果如表。

某公寓楼SATWE计算结果

计算结果表明，结构自振特性十分理想，第一周期和第二周期都是平动，且两周期十分

接近，更理想的是前三周期没有出现振型耦联的混合型振型；第一扭转周期T3与第一平动

周期T1之比T3/T1=0.825<0.85，满足规范要求。在考虑偶然偏心的情况下，地震作用下X

向及Y向楼层竖向构件的最大水平位移与该楼层水平位移平均值的比值分别为1.11和1.20

地震作用下，X方向和Y方向最大值层间位移角分别为1/1182 和1/1407。

从计算结果来看，通过上述结构调整后，不仅结构各项指标满足规范要求，而且达到较理想的结果，从而使设计的结构安全可靠，经济合理。