扭转效应控制在高层建筑结构设计中的应用

　　摘要：本文结合工程实例，论述了高层建筑结构设计扭转效应的具体控制方法，在现有结构平面的条件下，即在不改变结构体系及平面开头的前提下，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。

　　关键词：扭转效应；扭转效应控制；结构设计；高层建筑

　　Abstract: Combining with engineering examples, the article designing high-rise torsion effect of the specific control methods, the existing structure plane conditions, that is not changing the structure system and the plane begins, under the premise of through the above several method, can wrest resistant structure stiffness obviously enhance structure stiffness center and quality center as coincidence, reduce structure in under the action of earthquake torsion effect.

　　Key Words: torsion effect; torsion effect control; structure design; high-rise building

　　中图分类号：TU973         文献标识码：A       文章编号：

　　一、引起结构扭转效应的因素

　　1外因：地震波扭转分量

　　实际地震波存在6 个分量, 即除X、Y、Z 三个水平分量外, 还有绕X、Y、Z 轴的三个扭转分量, 其中绕Z轴的扭转分量直接对结构产生扭矩。由于迄今为止尚无法准测测定地震波的扭转分量, 因此目前的结构抗震设计理论一般都是仅考虑X、Y 向水平地震作用,对于大跨度或者大悬臂结构还需考虑Z 向竖向地震作用, 而未考虑实际存在的地震波扭转分量的作用, 这必然对结构安全造成一定的隐患, 部分学者甚至认为地震波扭转分量的作用是造成结构破坏最重要的因素。

　　2 内因：质心与刚心不重合产生的偏心距

　　刚心是指在假设楼板为刚性的前提下，对于单层建筑结构，水平力通过某点不产生扭转效应，此点就称为刚心；而多层建筑结构的刚心一般为水平荷载和刚度分布的函数，即具有不确定性。当结构进入非弹性阶段，结构各部分构件的刚度是变化的，也就是说刚度中心也是变化的。

　　地震作用时，地震力可简化为集中在质心处的集中力F，当结构质心与刚心重合时，地震力F 正好通过刚心，这时将不产生扭矩；而当它们不重合时，就存在偏心距e，这时在水平地震作用下不仅产生地震力F 和扭矩T=F·e，显然扭矩T 随偏心距增大而增大，扭转效应越明显。

　　二、结构扭转变形分析

　　2.1结构扭转机理

　　根据材料力学可知，当一个构件受到扭矩作用时，离构件刚度中心越远的地方剪应力越大，剪切变形也越大。在整体建筑结构中，当结构受到扭矩作用时，竖向构件将承受剪力。如图1所示的一均匀对称的结构，质心和刚心重合于O点，当结构受到一扭矩T，那么将在各柱中产生F1和F2的剪力。其中离刚心远的柱受的剪力F1要大于离刚心近的柱受的剪力F2。也就是说当结构受到扭矩作用时，离刚心越远的竖向构件将承受越大的剪力。根据结构理论可知，构件的剪切破坏是脆性的；一旦由于扭转作用而使得地震作用产生的水平剪力大于竖向墙柱构件所能承担的剪力，这将导致结构竖向墙柱构件发生脆性剪切破坏，结构将可能在瞬间发生脆性破坏而倒塌。

　　图1 结构扭转受力示意图

　　2.2结构扭转变形分析

　　假定楼板为平面内无限刚，当结构发生平动和扭转时，将发生图2所示的变形。那么δavg=(δmax-δmin)/2 （1）

　　式中，δmax为按刚性楼盖假定，同一侧楼层角点竖向构件最大水平位移或最大层间位移； δmin为按刚性楼盖假定，同一侧楼层角点竖向构件最小水平位移或最小层间位移； δavg为按刚性楼盖假定，该楼层平均水平位移或平均层间位移； 令位移比ζ=δmax/δavg，将其代入（1）式，可得， δmax/δmin=ζ/(2-ζ) （2）

　　图2结构扭转变形示意图

　　三、扭转效应的控制措施

　　1 扭转不规则在平面不规则类别是排前位。历次大震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和扭转刚度太弱的结构，在地震中受到严重的破坏。一些振动台模型试验结果也表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。在实际工程中，由于建筑造型的要求、建筑场地的限制或建筑功能的需要，在高层建筑结构设计中，大多数结构的平面布置和竖向布置很难达到规范所要求的“规则”标准。此时，结构设计人员必须对抗侧力结构布置进行优化调整，限制结构的平面扭转效应，使其满足有关规范的要求。

　　2 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。

　　3 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。

　　4 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：

　　4.1 将建筑物外角原单向剪力墙布置成；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。

　　4.2 加厚离质心较远处剪力墙的厚度。

　　4.3 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。

　　5 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4、3、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，在位移最大节眯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。

　　6 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，其长度比接近或超过《高规》第4、3、3 条的要求，有的长度超过了《混凝土结构设计规范》）GB50010- 2002）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。

　　6.1 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，具体可将边框架的角魔王断面增大，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。

　　6.2 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，没有必要。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。

　　四、结束语

　　对于高层建筑结构，层数多、重心高，设计时不仅要力求结构布置平面、沿竖向规则，注意质量和刚度的对称、重合，但由于偶然偏心以及地震动时转动分量的存在，即便是对称结构，在地面运动转动分量的作用下也会发生扭转振动，因此，结构的抗侧力构件尽量沿房屋周边布置，以便能够提供足够大的抗扭转力偶，同时，也可为抵抗倾覆力矩提供更大的抗力偶。