摘要
《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第 5.1.1 條第 3 款規(guī)定：質(zhì)量和剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第 4.3.2 條第 2 款規(guī)定：質(zhì)量與剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響；其他情況，應(yīng)計(jì)算單向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。
通過對(duì)規(guī)范的理解，對(duì)于相鄰陣型周期接近的情況下，需要考慮陣型之間的耦連；對(duì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的建筑物，應(yīng)當(dāng)考慮雙向水平地震的調(diào)整；判斷扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，通常通過判斷位移比是否超出1.2為標(biāo)準(zhǔn)。
水平地震作用的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞的一種常見形式，下面我們分析一下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的原因，并結(jié)合規(guī)范和程序，對(duì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)采取的措施進(jìn)行梳理。
01 水平地震作用的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的原因分析
水平地震作用的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大致可以分為兩種情況，一個(gè)是由于地震波本身的扭轉(zhuǎn)分量引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，另一個(gè)是建筑物由于施工或者方案上存在的質(zhì)量與剛度的不均勻分布，即質(zhì)心與剛心的較大偏離，從而在地震作用下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
02 水平地震作用計(jì)算時(shí)，陣型組合的方法分類及結(jié)合程序的應(yīng)用
對(duì)于水平地震作用的計(jì)算目前都是采用計(jì)算機(jī)分析，按照陣型分解反應(yīng)譜法來考慮，而陣型分解又分為SRSS法和CQC法，SRSS不考慮地震作用的扭轉(zhuǎn)分量，僅考慮兩個(gè)方向的水平分量，并且不考慮陣型之間的耦聯(lián)，而CQC考慮兩個(gè)方向的水平分量和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)分量，同時(shí)考慮陣型之間的平扭耦聯(lián)。
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第5.2.2條條文說明：“隨機(jī)振動(dòng)理論分析表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)體系的振型密集、兩個(gè)振型的周期接近時(shí)，振型之間的耦聯(lián)明顯。在阻尼比均為5％的情況下，由本規(guī)范式(5．2．3-6)可以得出(如圖10所示)：當(dāng)相鄰振型的周期比為0．85時(shí)，耦聯(lián)系數(shù)大約為0．27，采用平方和開方SRSS方法進(jìn)行振型組合的誤差不大；而當(dāng)周期比為0．90時(shí)，耦聯(lián)系數(shù)增大一倍，約為0．50，兩個(gè)振型之間的互相影響不可忽略。這時(shí)，計(jì)算地震作用效應(yīng)不能采用SRSS組合方法，而應(yīng)采用完全方根組合CQC方法。”
即可以通過程序計(jì)算結(jié)果輸出的各陣型周期，自行比較各相鄰陣型的周期比Tk/Tj，是否超出0.85，以此來判斷是否可以不考慮陣型的扭轉(zhuǎn)耦連效應(yīng)，周期比越小，耦連系數(shù)越小，陣型之間的耦連影響越微弱。
在計(jì)算水平地震作用的時(shí)候，除了特別規(guī)則的結(jié)構(gòu)之外，一般都是需要考慮地震的扭轉(zhuǎn)分量的，各陣型周期比較接近，或者相鄰陣型周期比超出0.85時(shí)候還需要考慮陣型之間的耦連。
SATWE計(jì)算模塊在計(jì)算地震作用的時(shí)候強(qiáng)制按照CQC進(jìn)行計(jì)算。PMSAP計(jì)算模塊還保留了SRSS的陣型組合方式，如下圖所示：
程序的二維計(jì)算模塊（pk二維或者STS模塊），因?yàn)槭瞧矫嬗?jì)算模型，水平地震作用不需要考慮抗扭分量，程序默認(rèn)按照SRSS計(jì)算方法考慮計(jì)算。
《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第 5.2.3條規(guī)定：水平地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)地震效應(yīng)應(yīng)符合下列要求：
1 規(guī)則結(jié)構(gòu)不進(jìn)行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算時(shí)，平行于地震作用方向的兩個(gè)邊榀各構(gòu)件，其地震作用效應(yīng)應(yīng)乘以增大系數(shù)。一般情況下，短邊可按1．15采用，長邊可按1．05采用；當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度較小時(shí)，周邊各構(gòu)件宜按不小于1．3采用。角部構(gòu)件宜同時(shí)乘以兩個(gè)方向各自的增大系數(shù)。
針對(duì)抗規(guī)5.2.3-1的程序?qū)崿F(xiàn)，可以在二維模塊考慮，按照抗規(guī)的簡(jiǎn)化增大系數(shù)法計(jì)算，并自行考慮任意方向的任意邊榀，詳細(xì)參數(shù)如下圖：
03 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的判斷
由于建筑本身的質(zhì)心與剛心的偏離，這個(gè)因素在計(jì)算水平地震作用時(shí)候一般是難以避免的，所以通常情況下，在考慮地震作用計(jì)算的時(shí)候，都需要考慮偶然偏心的影響，在考慮偶然偏心影響的前提下，再去對(duì)建筑的規(guī)則性進(jìn)行指標(biāo)判斷，對(duì)于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的建筑，還需要考慮雙向地震的調(diào)整。
《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第 5.1.1 條第 3 款規(guī)定：質(zhì)量和剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第 4.3.2 條第 2 款規(guī)定：質(zhì)量與剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響；其他情況，應(yīng)計(jì)算單向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。
所以是否需要考慮雙向地震調(diào)整，前提是基于建筑物質(zhì)量和剛度是否不對(duì)稱，而實(shí)際情況是質(zhì)量和剛度是否不對(duì)稱很難界定，所以通常情況下以“扭轉(zhuǎn)不規(guī)則”作為判斷條件。
《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第 3.4.3-1條第 1款規(guī)定：“在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移（或?qū)娱g位移）的最大值與平均值的比值大于1.2”。
04 雙向地震效應(yīng)的設(shè)置與校核
結(jié)構(gòu)位移比如果超出1.2，即可認(rèn)定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，需要考慮雙向水平地震作用，參數(shù)設(shè)定如下圖所示：
組合時(shí)候程序?qū)蜗虻卣鸸rEX和EY按照考慮雙向地震調(diào)整后，作為新的工況EXY和EYX輸出，并重新進(jìn)行組合，如下圖：
雙向地震的計(jì)算與抗規(guī)公式相同，按下式進(jìn)行調(diào)整：
對(duì)柱軸力進(jìn)行校核：
對(duì)柱彎矩進(jìn)行校核，此時(shí)需要注意的是，彎矩是繞軸的概念，所以在考慮地震的方向分量時(shí)候，EX是繞Y軸的，核對(duì)的時(shí)候需要帶入My的數(shù)值。
以柱底彎矩Mx為例說明：
05 位移比如何通過模型進(jìn)行調(diào)整
所以，當(dāng)出現(xiàn)位移比超出1.2倍判斷為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，是直接考慮雙向地震，還是通過調(diào)整方案讓位移比控制在1.2之內(nèi)呢，我們以一個(gè)框架結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行比較。
首先要知道如何查找相應(yīng)的最大位移點(diǎn)。樓層位移指標(biāo)如下圖所示：
我們需要設(shè)置一下文本輸出項(xiàng)，讓最大位移對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)顯示出來：
然后點(diǎn)擊一下刷新，程序文本顯示會(huì)調(diào)整輸出項(xiàng)，如下圖：
在通過satwe計(jì)算結(jié)果中的編號(hào)簡(jiǎn)圖，輸入節(jié)點(diǎn)號(hào)，進(jìn)行定位查找：
對(duì)結(jié)構(gòu)平面角部進(jìn)行梁柱截面的加強(qiáng)處理，對(duì)樓層抗扭有所幫助，我們嘗試對(duì)角部四個(gè)角柱及其相連接的梁，進(jìn)行了截面加大，柱從500*500加大到600*600，相連接的梁由300*300加大到400*400，再看相應(yīng)的樓層位移指標(biāo)，如下圖所示：
最大層間位移比由1.2變小到1.19。以此思路可以進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案上的調(diào)整。
如果不調(diào)整方案，而是考慮雙向地震調(diào)整的話，會(huì)造成材料的浪費(fèi)，認(rèn)為增加了不必要的造價(jià)提高，我們分別對(duì)調(diào)整梁柱截面和進(jìn)行雙向地震調(diào)整兩個(gè)方案進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，看看差異：
調(diào)整方案后的工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下圖所示：
直接考慮雙向地震之后，工程量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下圖：
通過比較，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)整方案控制位移比在1.2之內(nèi)，跟直接考慮雙向地震的結(jié)果，工程量差異并不大。不過因?yàn)榉桨傅恼{(diào)整手段有很多種，還需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中，加以比對(duì)，避免出現(xiàn)建模誤差，如梁柱未有效連接，出現(xiàn)柱頂節(jié)點(diǎn)沒有梁約束的情況，進(jìn)而導(dǎo)致樓層位移比超出1.2，考慮雙向地震加大了構(gòu)件配筋，造成的工程材料的浪費(fèi)。
06 總結(jié)
1.在建筑方案階段，盡量使結(jié)構(gòu)體型，構(gòu)件布置均勻，如出現(xiàn)位移比超出1.2的情況，要注意查看具體最大位移出現(xiàn)的位置，避免建模誤差問題。
2.地震作用的隨機(jī)性和不確定性比較大，需要關(guān)注周期比，選用適當(dāng)?shù)年囆徒M合方法，二維平面計(jì)算模型除外。
3.結(jié)構(gòu)由于施工，材料等因素造成的質(zhì)心與剛心相差較大，在地震作用下會(huì)有扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，需要在考慮偶然偏心的前提下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體規(guī)則性的判斷。
4.雙向地震的調(diào)整，不是對(duì)單向水平地震的簡(jiǎn)單公式套用，而是針對(duì)某一主方向地震作用在另外一個(gè)方向的分量效應(yīng)的調(diào)整。
