高层建筑结构设计中扭转效应的控制措施

　　扭转效应一般是针对建筑结构主体而言的，结构主体中的单个构件，如边梁，雨棚梁等可以通过计算作用在构件上的扭矩来确定其配筋，但是对于结构主体，扭转效应是指结构空间计算时，由平面不规则引起的楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)大于该楼层两端弹性水平位移(或层间水平位移)平均值，现行建筑抗争设计规范规定，大于1.2倍，即判定楼层平面不规则，在地震作用下，结构主体扭转明显，应通过结构布置来控制楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)与该楼层两端弹性水平位移(或层间水平位移)平均值的比值，比值不宜大于1.5，同时，在构件配筋计算是考虑抵抗扭矩而增加的配筋。

　　高层建筑结构设计中,其抗侧刚度特别是抗扭刚度一直受到设计人员的重视。这时结构方案的选用就显得非常重要 ,应尽量采用平面规则、对称的结构 ,建筑立面和 竖向剖面宜规则 ,结构的侧向刚度宜均匀变化 ,避免抗侧力结构的侧向刚度突变质量和刚度分布明显不对称的结构,应计入双向地震作用下的扭转影响。但在实际工程中,因建筑造型及建筑功能的需要 ,往往有许多的建筑平面及竖向规则性达不到规范中“规则建筑”的要求。在此情况下 ,应对结构体系进行优化,使其满足抗震要求 ,特别是使其扭转效应控制在规范允许范围之内。本文主要讨论高层建筑,特别是超限高层建筑结构设计中改善扭转效应的几种措施。

　　一、 改善高层建筑扭转效应的原则

　　《 建筑抗震设计规范》GB50011-2010第3.4.4 条对结构平面的扭转不规则提出了要求。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.4.5 条更是明确要求在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1.2倍 ,不应大于该楼层平均值的 1.5倍;B 级高度高层建筑、混合结构高层建筑等不宜大于该楼层平均值的1.2倍 ,不应大于该楼层平均值的1.4倍;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、混合结构高层建筑等不应大于 0.85。

　　由材料力学可知 ,抗扭构件离质心越远 ,其抗扭刚度越大。所以在布置抗扭构件时,尽量加大周边构件截面,增大抗扭刚度;在设计结构方案时,应尽量使结构质心刚心偏心率减小 ,以减小扭转效应。在工程实践中,以剪力墙结构为例,可首先考虑将四周角部墙肢加长 ,尽量形成L、Z、T 等形状。如墙肢长度受限,则可将平面四周的梁加高 ,如窗台下梁加高至窗台面。如质心刚心偏差太大 以上措施仍不能满足抗扭要求 ，这时在建筑允许的条件下加厚离质心较远处的剪力墙厚度,往往能使质心刚心偏心率得到明显改善。

　　二、高层建筑结构设计中扭转效应的控制措施

　　1、在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构

　　某高层建筑，结构体系为框架剪力墙，抗震设防烈度为 6 度， IV 类场地土，丙类建筑，地上 26 层，地下 1 层，总高度 96M，框架剪力墙抗震等级均为三级，采用 ASTWE 程序进行设计计算从力学基本概念可知，构件离质心越远，其抗扭刚度就越大，所以，在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构，这样，在不增加抗侧力构件数量的基础上，可以显著加大结构的抗扭刚度在实例中，结构布置基本均匀、对称、位移比、周期比的计算结果从略。

　　如果将两端轴附近的剪力墙全部改为框架结构，则两端剪力墙改为框架后，抗扭刚度大大减弱，位移比增大。整个结构扭转 、平动周期均增大 。由于两边剪力墙同时删去，结构仍基本均匀、对称，故周期比基本不变。

　　除了在建筑物外围布置抗侧力结构外，也可以采用削弱核芯筒风度的办法来调整结构的周期比。 在核心部位剪力墙中间开结构洞，使结构刚度达到均匀、分散的目的 。尽可能在原剪力墙中间部位开洞，不要靠近两端，以避免出现短肢剪力墙，更不允许出现异形柱。

　　值得一提的是， 为了有效控制结构的位移比、周期比，对于多塔楼结构，各个塔楼应分别计算其位移比、周期比，以保证设计安全，然后再进行整体计算分析。

　　2、 抗侧力结构布置必须均匀、对称

　　在高层建筑设计中，布置抗侧力构件时，必须遵循均匀 、分散、 对称的原则，尽可能使结构的质量中心与刚度中心接近。 当位移比不能满足《高规 》要求时，往往是结构的抗侧力构件布置不均匀引起的。 例如靠近一边布置剪力墙或剪力墙布置不均匀等。

　　一幢房屋的动力性能基本取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就从根本上保证房屋具有良好的耐震性。反之，建筑布局复杂，结构存在薄弱环节，即使在构造上采取补强措施，也不一定能达到减轻震害的预期目的。

　　3、尽可能加大现有周边抗侧力结构的刚度

　　为了加大结构的抗扭刚度，除了可在最大位移处布置抗侧力结构外，还可以采用的加大原有抗侧力结构刚度的方法有：

　　(1) 将建筑物外角原单向剪力墙布置成L形剪力墙，且尽可能延长，外立面转角尽可能避免开窗，更不要开转角窗

　　(2)加厚离质心较远处剪力墙的厚度加大周边剪力墙连梁的高度，一般连梁的高度取楼板距下层门窗顶的高度。为了增加剪力墙抗扭刚度，可以将楼面以上至窗下边的高度部分也变成连梁，即除窗洞外，其余部分均为连梁。

　　4、 裙房部分防止上下层刚度偏心

　　在高层建筑设计中，通常存在以下情况：当主楼满足《 高规》 第 3.4.5条的有关控制结构扭转效应的要求时，裙房部分却不能满足这主要是由于结构上下刚度偏心较大，裙房相对于主楼偏心布置裙房平面不规则或过于狭长，裙房的刚度相对于主楼来说太弱，刚度中心与质量中心相差太远，最远处节点位移偏大等原因引起的。解决以上问题的方法有两种：一是增加裙房部分的刚度，在位移最大处相应的最大位移方向布置剪力墙，以减小裙房的最大位移，使裙房的质量中心与刚度中心尽可能重合。二是当主楼、 裙房都有地下室时，将主楼与裙房在地下室顶板以上用伸缩缝分开;当主楼有地下室，裙房无地下室时，如建筑专业允许，可以用沉降缝将主楼与裙房分开，使主楼与裙房分别形成独立的结构体系，经过这样处理，能解决裙房部分由于上下层刚度偏心引起的较大扭转效应。

　　5、 高层建筑防止结构平面过于狭长

　　现在，十多层左右的小高层住宅较多，建筑专业为了满足使用要求，往往套用多层砖混结构住宅的户型，大多数小高层住宅的平面布置过于狭长，其长宽比接近或超过《高规》 第 3.4.3 条的要求，有的长度超过了 《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)规定的钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距要求。一般来说，平面狭长结构的抗扭刚度是比较弱的，很难满足《高规》的要求， 可以通过以下两个方法解决：

　　(1) 小高层结构体系采用框架结构，首先尽可能将过于狭长的结构用伸缩缝脱开。如果建筑专业不允许，可通过加大端部开间的抗侧刚度达到限制结构扭转效应的目的，具体可将边框架的框架柱断面增大，加大框架梁的高度，如条件允许，中间增加框架柱，即增加框架的跨数。这些方法可以增加梁的线刚度，也可显著增加结构的抗扭刚度。

　　(2)小高层结构体系采用框架剪力墙结构，由于房屋高度不高，剪力墙一般仅布置在楼梯间或电梯间，这些抗侧力结构往往过于集中或设置不对称，结构的扭转效应很大，在这种情况下，必须削弱中间部分剪力墙的刚度，在外侧加剪力墙，但此时结构的抗侧刚度太大，这样做没有必要也不经济。因此能采用框架体系时，尽量不采用框架剪力墙体系，因为在地震烈度不大的地区采用框架结构反而能满足《高规》控制抗扭效应的要求。

　　通过以上几种方法，可以使结构的抗扭刚度得到明显增强，使结构的刚度中心和质量中心尽可能重合，减小结构在地震作用下的扭转效应。

　　参考文献：

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　　[2] 徐培福,黄吉锋,韦承基. 高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应[J]. 建筑科学, 2000,(01) .

　　[3] 蒋俊杰,陈春雷. 高层建筑结构扭转效应控制参数讨论[J]. 广东土木与建筑, 2008,(09) .

　　[4] 徐培福,黄吉锋,韦承基. 高层建筑结构的扭转反应控制[J]. 土木工程学报, 2006,(07) .

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文章名称： 高层建筑结构设计中扭转效应的控制措施

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