[抗震设计] 如何有效考虑结构在地震作用下的“扭转影响”？！

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如何有效考虑结构地震作用下的“扭转影响”？

该问题源自一位同行提出的疑问：《高规》4.3.2条第2款和《抗规》5.1.1条第3款均指出，对于质量和刚度明显不对称的结构，应计入双向地震作用下的扭转影响；其他情况则可仅考虑单向地震作用下的扭转效应。那么，所谓“计入扭转影响”或“考虑扭转影响”具体指什么？我们在日常电算设计中是否已经考虑了扭转？常规的单向地震作用计算是否已包含扭转效应？

这一问题引申出更深入的思考：在实际工程设计中，应如何有效考虑地震作用下的结构“扭转影响”？

【规范条文】

先引用相关规范条文。《高规》4.3.2条明确规定：“质量与刚度分布明显不对称的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响。”

以下尝试对该问题进行回答。就目前广泛采用的振型分解反应谱法而言，结构“扭转效应”能否被有效考虑，主要涉及以下四个方面：

（1）模态分析
当前主流的空间有限元分析软件在单元刚度中已包含扭转刚度。若采用集中质量模型，模态分析中会包含扭转分量；若采用非集中质量模型，则自然可以考虑结构的空间效应，包括扭转效应。但如果仅采用每层一个质量点的简化模型（即仅一个动力自由度），则无法合理反映扭转影响，后续计算也将失去意义。

（2）振型参与系数（地震作用标准值计算层面）
在使用集中质量模型（每层包含两个平移质量和一扭转惯量）且考虑扭转效应时，地震作用标准值计算中所采用的振型参与系数应包含扭转角分量。具体可参见规范中的相关公式。

（3）振型组合
目前振型组合普遍采用CQC法，SRSS方法已较少使用。CQC法能够考虑振型间的耦合效应，尤其适用于平动与扭转振型相互影响的情况。它不仅考虑扭转振型对平动振型的贡献，也计及平动振型对扭转振型的影响。需要注意的是，CQC法并非必须与扭转耦联的模态分析绑定使用，但其优势在扭转明显的结构中尤为突出。

（4）双向地震作用
一般认为，扭转效应在双向地震作用下更容易被激发。因此规范要求对质量和刚度明显不对称的结构考虑双向地震作用。在振型分解反应谱法中，双向地震作用的体现主要是通过方向组合实现的。需要注意的是，是否考虑扭转与是否采用双向地震并无必然联系。

综上所述，若要在振型分解反应谱法中有效考虑扭转效应，应满足以下条件：模态分析需能够反映扭转（例如每层至少设置两个平移自由度和一扭转自由度，或采用非集中质量模型）；振型参与系数应包含扭转分量；振型组合推荐采用CQC法。在此基础之上，可根据规范要求决定是否考虑双向地震作用。

若模态分析未能考虑扭转，即便振型组合采用CQC或要求双向地震作用，扭转效应仍无法被充分捕捉。反之，若模态分析已合理反映扭转，但振型参与系数未考虑扭转或振型组合仍使用SRSS方法，扭转效应同样难以准确体现。这也解释了为何在《高规》中，扭转耦联振型分解反应谱法（4.3.10条）常与CQC组合及双向地震共同提出，而不考虑扭转耦联的反应谱法（4.3.9条）则仅建议SRSS组合，且未强调双向地震作用。

补充说明：可以狭义地认为，按《高规》4.3.10条进行计算即视为考虑了扭转影响，而按4.3.9条计算则未考虑扭转影响。以上讨论基于振型分解反应谱法。若从计算真实性角度出发，动力时程分析仍是反映结构扭转特性的最准确方法。