结构第一周期扭转调整方法.docx

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结构第一周期扭转调整方法

[转帖]结构第一周期扭转调整方法2

规范条文:

新高规的4.3.5条规定,结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期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、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85。

一旦出现周期比不满足要求的情况,一般只能通过调整平面布置来改善这一状况,这种改变一般是整体性的,局部的小调整往往收效甚微。

周期比不满足要求,说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小,总的调整原则是要加强结构外

圈,或者削弱内筒。

周期比:

主要为限制结构的抗扭刚度不能太弱,使结构具有必要的抗扭刚度,减小扭转对结构产生的不利影响。

见高规4.3.5及相应的条文说明。

周期比不满足规范要求,说明结构的抗扭刚度相对于侧移刚度较小,扭转效应过大,结

构抗侧力构件布置不合理。

周期比不满足规范要求时的调整方法（转）:

1、程序调整:

SATWE程序不能实现。

2、结构调整:

只能通过调整改变结构布置,提高结构的抗扭刚度。

由于结构外围的抗侧力构件对结构的抗扭刚度贡献最大,所以总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度,或适当削弱结构中间墙、柱的刚度。

利用结构刚度与周期的反比关系,合理布置抗侧力构件,加强需要减小周期方向（包括平动方向和扭转方向）的刚度,削弱需要增大周期方向的刚度。

当结构的第一或第二振

型为扭转时,可按以下方法调整:

1）SATWE程序中的振型是以其周期的长短排序的。

2）结构的第一、第二振型宜为平动,扭转周期宜出现在第三振型及以后。

见抗规3.5.3条3款及条文说明“结构在两个主轴方向的动力特性（周期和振型）宜

相近”。

3）当第一振型为扭转时,说明结构的抗扭刚度相对于其两个主轴（第二振型转角方向和第三振型转角方向,一般都靠近X轴和Y轴）的抗侧移刚度过小,此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度,并适当削弱结构内部的刚度。

4）当第二振型为扭转时,说明结构沿两个主轴方向的抗侧移刚度相差较大,结构的抗扭刚度相对其中一主轴（第一振型转角方向）的抗侧移刚度是合理的;但相对于另一主轴（第三振型转角方向）的抗侧移刚度则过小,此时宜适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度,并适当加强结构外围（主要是沿

第一振型转角方向）的刚度。

5）在进行上述调整的同时,应注意使周期比满足规范的要求。

6）当第一振型为扭转时,周期比肯定不满足规范的要求;当第二振型为扭转时,

周期比较难满足规范的要求。

==============================================

昨天,有一个纯剪力墙结构的工程问过来,冲令狐顺便透露了一个小技巧——

如何判断“纯”扭转周期。

====================================================================

周期、地震力与振型输出文件

（侧刚分析方法）

====================================================================考虑扭转耦联时的振动周期（秒）、X,Y方向的平动系数、扭转系数

振型号周期转角平动系数（X+Y）扭转系

数

11.467588.390.61（0.00+0.61）0.39

21.395493.540.44（0.00+0.44）0.56

30.852

40.571.00（1.00+0.00）0.00

40.335692.820.06（0.01+0.0

5）0.94

50.317491.931.00（0.00+1.00）0.00

60.23192.031.00（1.00+0.00）0.00

70.1594103.110.09（0.02+0.07）0.91

当第二振型为扭转时,说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大,结构的

扭转刚度相对其中一主轴（第一振型转角方向）的侧移刚度是合理的;但相对

于另一主轴（第三振型转角方向）的侧移刚度则过小,此时宜适当削弱结构内

部沿“第三振型转角方向”的刚度,并适当加强结构外围（主要是沿第一振型

转角方向）的刚度。

====================================================================

==【局部内容】

如果看这个您判断扭转周期是第二周期吗?

有人会断定第四周期才是第一扭转

周期吗?

【最最直接的判断方法】

看各个振型里面各个位移分量的质量参与系数,根据他们可以判断第二周期究竟是平动为主还是扭转为主;可惜pkpm不提供这样的输出结果。

sap2000和etabs的输出结果就比较详细一些。

对于一般工程,估计大部分设计人员都不会使用etabs进行复核,那么在这种情况下,如何判别结构的固有周期特性?

【问题】遇到这种情况怎么看数据文件呢?

步骤一:

看两个方向的基底反力

各振型作用下X方向的基底剪力

-------------------------------------------------------

振型号剪力（kN）

12.86

210.06

38468.62

46.92

55.62

63616.59

712.15

各振型作用下Y方向的基底剪力

-------------------------------------------------------

振型号剪力（kN）

12884.64

22076.29

31.09

46.81

54538.90

65.99

733.10

======================================【局部数据】

步骤二:

看振型对应的位移

耦联时的振型

Floor:

层号

Tower:

塔号

X-Disp:

耦联振型在X方向的位移分量

Y-DISP:

耦联振型在Y方向的位移分量

Angle-Z:

耦联振型绕Z轴的转角

振型1

-------------------------------------------------------FloorTowerX-DispY-DISPAngle-Z（mm）（mm）（rad）2410.0150.4540.0252310.0130.4660.0242210.0120.4490.0232110.0120.4270.0222010.0110.4040.0211910.0110.3800.020

1810.0100.3550.0191710.0100.3300.0171610.0090.3050.0161510.0080.2790.0151410.0080.2530.0141310.0070.2260.0121210.0060.2010.0111110.0060.1750.0101010.0050.1510.008910.0050.1270.007810.0040.1040.006710.0030.0820.005610.0030.0620.004510.0020.0440.003410.0020.0280.002310.0050.0150.001210.0000.0000.000110.0000.0000.000

振型2

-------------------------------------------------------FloorTowerX-DispY-DISPAngle-Z（mm）（mm）（rad）

231-0.0240.386-0.029221-0.0230.364-0.028211-0.0220.346-0.026201-0.0210.328-0.025191-0.0200.308-0.024181-0.0190.289-0.022171-0.0180.269-0.021161-0.0170.248-0.019151-0.0150.227-0.018141-0.0140.206-0.016131-0.0130.185-0.015121-0.0120.164-0.013111-0.0110.143-0.011101-0.0090.123-0.01091-0.0080.104-0.00881-0.0070.085-0.00771-0.0060.067-0.00661-0.0050.051-0.00451-0.0030.035-0.00341-0.0020.022-0.00231-0.0060.012-0.001210.0000.0000.000

振型3

-------------------------------------------------------FloorTowerX-DispY-DISPAngle-Z（mm）（mm）（rad）2410.9600.010-0.0032310.9180.007-0.0032210.8860.007-0.0032110.8520.007-0.0032010.8160.007-0.0031910.7780.007-0.0021810.7380.007-0.0021710.6960.007-0.0021610.6530.007-0.0021510.6070.007-0.0021410.5600.007-0.0011310.5120.007-0.0011210.4630.006-0.0011110.4140.006-0.0011010.3640.006-0.001910.3150.0050.000810.2660.0050.000

610.1710.0040.000510.1260.0030.000410.0840.0020.000310.0480.0020.000210.0020.0000.000110.0000.0000.000

振型4

-------------------------------------------------------FloorTowerX-DispY-DISPAngle-Z（mm）（mm）（rad）2410.037-0.0980.0422310.031-0.0280.0412210.027-0.0150.0332110.022-0.0100.0252010.017-0.0050.0161910.0120.0000.0081810.0070.005-0.0011710.0020.010-0.009161-0.0030.014-0.016151-0.0080.018-0.023141-0.0120.021-0.028

121-0.0180.025-0.035

111-0.0210.025-0.037

101-0.0220.025-0.036

91-0.0220.024-0.035

81-0.0220.021-0.032

71-0.0210.018-0.028

61-0.0200.014-0.024

51-0.0180.010-0.019

41-0.01

50.00

6-0.013

31-0.0460.001-0.008

210.0000.0000.000

110.0000.0000.000

步骤三,进行判断

通过以上的数据,我们可以确认:

1、第二周期是平动加扭转,第四周期是纯扭转;

2、第一周期和第二周期的变形结果通过对比可以看出二者只是x向平动成分的

方向有所改变;

3、第二周期作为第一扭转周期不太合适,第四周期定为扭转周期比较合适。

4、如果需要调整模型,让结构第二周期不出现扭转,就要从结构布置上面做文章,将x向的刚度进一步削弱或者适当加强Y向刚度。

而进行削弱和加强的位置就要结合建筑布置,尽量远离变形的中心,这样的效果会更好。

后话

结构分析是结构设计中非常重要的一环,懂得计算软件的工作原理,熟悉分析假定和流程,对结果有判断能力,对结果数据的含义有深刻而正确的理解。

这

些都是结构分析需要掌握的必备能力。

目前国内设计院中结构设计的骨干（35~50岁）具备上述能力的能有多少比例?

结构分析能力和结构概念、工程经验相互结合才能胜任大型复杂工程的设计,才能真正担负起公共安全责任,才能真正安全的为业主省钱。

DYGANGJIEGOU个人做法:

1.从周期文件中找出所有扭转系数大于0.5的扭转周期,按周期大小排列;同

理将所有平动系数大于0.5的平动周期从大到小排列。

2.第一周期的判断:

从队列中选出数值最大的扭转和平动周期,查看SATWE软件的“结构整体空间振动简图”看该周期值对应的振型的空间振动是不是整体振动,如仅为局部振动,则不能为第一扭转或平动周期,要从队列中选出下一个最大值进行考察,直到某周期值对应的振型图为结构整体振动,则为第一扭转和平动周期。

值得注意的是在判断某些复杂工程的第一平动周期时,还应考察该振型产生的基底剪力是否为各振型中的最大值,如果该振型产生的基底剪力很小,那么在地震力作用下他出现的概率就很小,因而也就不是平动主振型,当然也就不能成为第一平动周期.================================

动力学认为结构的第一周期应该是出现该振形时所需要的能量最小,第二周期所需要的能量次之,依次往后推。

我认为规范规定Tt/T1<0.9就是为了让对结构产生作用的能量中的大部分只够激起结构的平动而不是扭转。

按照动力学理论,结构第一周期只与结构本身的质量、刚度和边界条件有关,与外界力没有关系,地震只是提供一个激振力,基底剪力是反映这个激振效果的一个指标,这个除了以上的条件外,同时就跟地震参数有关,比如加速度的值。

而结构最容易出现振动的振型就应该是第一振型,这个振型所需要的能量最小,最容易发生。

这个就很容易理解为什么扭转振型不能太靠前,起码不能

出现再第一振型。

通高层设计中是可行的。

关于第二平动周期与扭转周期比较接近的问题是相对的,我个人认为就是说能拉大到0.9以下最好,但是不能拉到0.9以下,也尽

量不要超的太多。

怎么理解主振型?

pkpm采用了wilson教授的质量参与系数的概念（可以查看sap和etabs）,比如我们计算15个振型,质量参与系数达到了98%,那么15个振型当中就有一个质量参与系数最大的振型,比如是2振型,它对这个98%的贡献最大（比如达到40%）,那么我们就认为它就是主振型。

而其它的振型的贡献可能相对很小。

主振型的意义在于:

它可能不是最容易被激励起的振型,

但是它一旦被激励起了,那么它就是结构振动的主要成分,所以我们在抗震的

时候我特别给与关注,尽量避免它与扭转振型靠近。

这也就是我建议ljbwhu将

T2与Tt拉大点的原因。

在常规的高层结构设计中,由于各种限制,不容易出现以下这种情况:

当结构

中存在某些相对软弱的部分或者构件的时候,则结构的主振型会出现的比较靠后,这很容易理解,因为软弱的地方在激励能量相对小的时候就会局部振动,

此时不是整体振动,所以该振型的质量参与系数很小,但是它们却是低阶振型。

所以我前面的贴子提到了模型错误,这里的错误并不是指模型逻辑上的错误,

而是某些构件的刚度、尺寸、材料等原因的错误,造成局部软弱。

这种情况比

较特殊,但是也可能出现,所以要避免。

主振型:

对于某个特定的地震作用引起的结构反应而言,一般每个参与振型都

有着一定的贡献,贡献最大的振型就是主振型,贡献指标的确定一般有两个,

一是基底剪力的贡献大小,二是应变能的贡献大小。

一般而言,基底剪力的贡

献大小比较直观,容易被我们接受

扭转为主的振型中,周期最长的称为第一扭转为主的振型,其周期称为扭转为

主的第一自振周期Tt。

平动为主的振型中,根据确定的两个水平坐标轴方向

X、Y,可区分为X向平动为主的振型和Y向平动为主的振型。

假定X、Y方向平动为主的第一振型（即两个方向平动为主的振型中周期最长的振型）的周

期值分别记为T1X和T1Y,其中的大者位T1,小者为T2。

则T1即为《高规》第41315条中所说的平动为主的第一自振周期,T2姑且称作平动为主的第二自

振周期。

研究表明,结构扭转第一自振周期与地震作用方向的平动第一自振周期之比值,对结构的扭转响应有明显影响,当两者接近时,结构的扭转效应显著增大

[7]。

《高规》第41315条对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之比值进行了限制,其目的就是控制结构扭转刚度不能过弱,

以减小扭转效应。

《高规》对扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第二自振周期T2之比值没有进行限制,主要考虑到实际工程中,单纯的一阶扭转或平动振型的工程较少,多数工程的振型是扭转和平动相伴随的,即使是平动振型,往往在两个坐

标轴方向都有分量。

针对上述情况,限制Tt与T1的比值是必要的,也是合理的,具有广泛适用性;如对Tt与T2的比值也加以同样的限制,对一般工程是偏严的要求。

对特殊工程,如比较规则、扭转中心与质心相重合的结构,当两个主轴方向的侧向刚度相差过大时,可对Tt与T2的比值加以限制,一般不宜大于1.0。

实际上,按照《抗震规范》第31513条的规定,结构在两个主轴方向

的侧向刚度不宜相差过大,以使结构在两个主轴方向上具有比较相近的抗震性

能。

当然,振型特征判断还与宏观振动形态有关。

对结构整体振动分析而言,结构的某些局部振动的振型是可以忽略的,以利于主要问题的把握。

注意上面这句话的意义说明了,某些局部振动可以忽略掉,那么如何判断某些局部振动呢?

就转到我们上面所讨论的问题上来了,可以采用振型总剪力的大小来判断或者振型质量参与系数来判断。

忽略某些总剪力很小或者质量参与系数很小的振型,而保留那些相对较大的振型,这样说的话,就没有必要强制

制要求将总剪力最大的平动周期作为第一平动周期了!

第一扭转周期的确定也没有什么疑惑。

那个审图中心的意见有问题!

1）如果一个结构X,Y方向周期相差很大时,前几个平动周期往往是一个方向

的（如均为X方向或均为Y方向）。

此时要求Tt/T1<0.9即可。

（2）如果一个结构X,Y方向周期相差不大时,应使第一第二振型周期以平动为主（此时第一第二振型分别是X,Y向）,此时要求Tt/T1和Tt/T2均<0.9。

这是容易作到的。

另附手头一些资料,不知对大家有无帮助:

（1）高规4.3.5条的条文说明主要意思:

Tt与T1两者接近时由于振动耦连影

响,结构扭转效应明显增大。

（2）2002年9月版SATWE用户手册124页:

振型的方向角0度是X方向,90度是Y方向。

依次类推。

它的意义在于使我们明确知道结构刚度的薄弱方向。

两个第一侧移振型的方向角,代表了水平地震作用的两个近似的最不利方向。

（3）2002年9月版SATWE用户手册124页:

主振型的概念:

对于地震引起的结构反应而言,参与振型贡献最大的就是主振型。

衡量贡献大小有2个指标较合适,一是基底剪力贡献,二是应变能贡献。

基底剪力贡献较易为工程技术人员接受。

SATWE给出每个振型每个地震方向的基底剪力贡献。

用于判断每个地震方

向的主振型。

PS:

周期比计算方法:

1）扭转周期与平动周期的判断:

从计算书中找出所有扭转系数大于0.5的平动周期,按周期值从大到小排列。

同理,将所有平动系数大于0.5的平动周期值

从大到小排列;

2）第一周期的判断:

从列队中选出数值最大的扭转（平动）周期,查看软件的“结构整体空间振动简图”,看该周期值所对应的振型的空间振动是否为整体振动,如果其仅仅引起局部振动,则不能作为第一扭转（平动）周期,要从队列中取出下一个周期进行考察,以此类推,直到选出不仅周期值较大而且其对应的振型为结构整体振动的值即为第一扭转（平动）周期;值得注意的是,在判断复杂结构的第一平动周期时,还应考察该振型产生的基底剪力是否为各振型中的最大值,如果该振型产生的基底剪力很小,就不是第一平动周期。

（详细见pkpm新天地2005.1期）3）周期比计算:

将第一扭转周期值除以第一平动

周期即可。