高層建筑結構設計中扭轉效應的控制方法

摘要：對于高層建筑來講，扭轉效應是建筑物遭受損害的主要因素之一，因此，我們在進行高層建筑結構設計時，一定要重視建筑結構的扭轉問題，加強結構構件的抗扭剛度，運用有效的抗扭措施合理布置各個構件，尤其對薄弱部位構件的設計。本文針對高層建筑結構設計中的抗扭轉效應進行了分析，并提出了相應的抗扭轉措施，為今后開展這方面的工作積累了一定的經驗。

關鍵詞：高層建筑；結構設計；扭轉效應；控制

通常情況下，高層建筑的扭轉效應是針對建筑結構的主體來說的。在進行建筑結構設計時，必須引起重視。但是在具體的工程中，有很多的建筑平面和豎向的規范不符合具體的需要，這樣的情況，需要對結構體系優化，保證建筑符合抗震的標準，尤其是它的扭轉效應可以控制在規定的標準內，這里主要說明的是高層的建筑，尤其是那些超高的建筑設計中可以改善扭轉效應的具體措施。

1產生的原因及危害

國內外歷次大地震害表明：平面不規則與質量與剛度偏心和扭轉剛度太弱的結構，在地震中受到嚴重的破壞。國內一些振動臺模型試驗結果也表明：扭轉效應會導致結構的嚴重破壞。在實際工程中由于建筑造型的要求建筑場地的限制或建筑功能的需要，在高層建筑設計中，大多數結構的平面布置和豎向布置很難達到規范所要求的標準。

從力學基本概念可知“構件離質心越遠”其抗扭剛度就越大。所以，在建筑物外圍盡可能布置抗側力結構。這樣，在不增加抗側力構件數量的基礎上，可以顯著加大結構的抗扭剛度。如果將兩端軸附近的剪力墻全部改為框架結構”則兩端剪力墻改為框架后，抗扭剛度大大減弱，位移比增大。整個結構扭轉，平動周期均增大。由于兩邊剪力墻同時拆去，結構仍基本均勻、對稱，故周期比基本不變。

2 改善高層建筑扭轉效應的原則

《建筑抗震設計規范》GB50011-2010 第 3.4.4 條對結構平面的扭轉不規則提出了要求。《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010 第3.4.5 條更是明確要求在考慮偶然偏心影響的地震作用下， 樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移，A 級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的 1.2 倍，不應大于該樓層平均值的 1.5 倍；B 級高度高層建筑、混合結構高層建筑等不宜大于該樓層平均值的 1.2 倍，不應大于該樓層平均值的1.4 倍；結構扭轉為主的第一自振周期 Tt 與平動為主的第一自振周期 T1 之比，A 級高度高層建筑不應大于 0.9，B 級高度高層建筑、混合結構高層建筑等不應大于 0.85。由材料力學可知，抗扭構件離質心越遠，其抗扭剛度越大。所以在布置抗扭構件時，盡量加大周邊構件截面，增大抗扭剛度；在設計結構方案時，應盡量使結構質心剛心偏心率減小，以減小扭轉效應。

3 高層建筑結構設計中扭轉效應的控制措施

3.1 在建筑物外圍盡可能布置抗側力結構

某高層建筑，結構體系為框架剪力墻，抗震設防烈度為6 度，IV類場地土，丙類建筑，地上26 層，地下 1 層，總高度 96m，框架剪力墻抗震等級均為三級，采用ASTWE 程序進行設計計算從力學基本概念可知，構件離質心越遠，其抗扭剛度就越大，因此，建筑的外圍需要多設置抗側力的結構，以便在不添加抗側力構件的前提下，大大的增加結構的剛度。

如果將兩端軸附近的剪力墻全部改為框架結構，則兩端剪力墻改為框架后，抗扭剛度大大減弱，位移比增大。整個結構扭轉、平動周期均增大。由于兩邊剪力墻同時刪去，結構仍基本均勻、對稱，故周期比基本不變。

除了在外圍增加這種抗側力結構，還可以采用削弱核芯筒風度的辦法來調整結構的周期比。把結構洞打在剪力墻核心的部位，保證結構的平均和分散的目標，要最好在原有的剪力墻的中間開洞，不能接近兩端，這樣保證短肢剪力墻不出現，也不能有異形柱出現。

3.2 抗側力結構布置必須均勻、對稱

在高層建筑設計中，布置抗側力構件時，必須遵循均勻、分散、對稱的原則，盡可能使結構的質量中心與剛度中心接近。當位移比不能滿足《高規》要求時，往往是結構的抗側力構件布置不均勻引起的。例如靠近一邊布置剪力墻或剪力墻布置不均勻等。一棟房屋的動力功能主要是由建筑的布置和結構設置來決定的，只要結構設計的符合抗震的規則，布局設置的合理，就可以保證建筑的耐性，相反，建筑的布局繁復，整體結構存在不安全的地方，即便是構造的時候補救，也可能不能做到減低震害的目標。

3.3加大現有抗側力構造的剛度

結構抗扭的剛度的加大，可以在最大的位移的地方安置抗側力的結構，更可以使用增加原有的測力結構的實際剛度來實現，主要的方式有：將建筑物外角原單向剪力墻布置成 L 形剪力墻，且盡可能延長，外立面轉角盡可能避免開窗，更不要開轉角窗加厚離質心較遠處剪力墻的厚度加大周邊剪力墻連梁的高度，一般連梁的高度取樓板距下層門窗頂的高度。為了增加剪力墻抗扭剛度，可以將樓面以上至窗下邊的高度部分也變成連梁，即除窗洞外，其余部分均為連梁。

3.4裙房部分防止上下層剛度偏心

在高層建筑設計中，通常存在以下情況：當主樓滿足《高規》第3.4.5條的有關控制結構扭轉效應的要求時，裙房部分卻不能滿足這主要是由于結構上下剛度偏心較大，裙房相對于主樓偏心布置裙房平面不規則或過于狹長，裙房的剛度相對于主樓來說太弱，剛度中心與質量中心相差太遠，最遠處節點位移偏大等原因引起的。

3.5 高層建筑防止結構平面過于狹長

現在，十多層左右的小高層住宅較多，建筑專業為了滿足使用要求，往往套用多層磚混結構住宅的戶型，大多數小高層住宅的平面布置過于狹長，其長寬比接近或超過《高規》第 3.4.3 條的要求，有的長度超過了《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）規定的鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大間距要求。一般來說，平面狹長結構的抗扭剛度是比較弱的，很難滿足《高規》的要求，可以通過以下兩個方法解決：

3.5.1 小的高層結構使用框架這樣的結構，第一要最大限度的把太過狹長的構造脫開，如果建筑的專業不允許，是可以在大端的部分加大抗側力剛度的方式來控制扭轉效應。如條件允許，中間增加框架柱，即增加框架的跨數。這些方法可以增加梁的線剛度，也可顯著增加結構的抗扭剛度。

3.5.2 小的高層使用框架剪力墻的結構體系，因為房屋的高度不是很高，剪力墻通常是在樓梯和電梯之間，這些抗側力的構造通常是集中或者分布的不均勻，扭轉效應大，這種狀況，一定要把中間那部分剪力墻的結構削弱，把外側加上剪力墻，此時的抗側力剛度又過大，這樣不但浪費成本也不是必要的選擇。因此能采用框架體系時，盡量不采用框架剪力墻體系，因為在地震烈度不大的地區采用框架結構反而能滿足《高規》控制抗扭效應的要求。

4結語

高層建筑結構的扭轉問題，并不是單純的平面問題，要提高結構的抗扭剛度，加強平面內的結構不是唯一的手段，甚至不一定是最有效的手段。從上面的幾種方式可知，可以明顯的增加建筑結構的抗扭剛度，從而更好的防御扭轉效益，以便減低地震作用下的扭轉效應，更好的保證建筑的安全和質量。

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