1、高層建筑結構設計中扭轉效應的控制措施摘要：文章對結構扭轉機理及扭轉變形做了簡單分析，結合工程實踐，提出了一些高層建筑結構設計中扭轉效應的控制措施。關鍵詞：高層建筑；結構設計；扭轉效應；控制措施Abstract: the paper analyses the mechanism and torsional deformation structure reverse do a simple analysis, combined with the engineering practice, this paper puts forward some high-rise building structu
2、ral design of controlling torsion effect of the measures.Keywords: high building; Structure design; Torsion effect; Control measures 中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：1引言 國內外歷次震害表明，當結構平面不規則、質量中心與剛度中心偏差較大或者結構的抗扭剛度較小時，地震時會產生較大的扭轉效應，使得結構產生較嚴重的破壞。國內一些振動臺模型的試驗結果也表明了這一點。因此，高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ32002)(以下簡稱高規)針對扭轉控制提出了一些控
3、制措施及控制參數，防止結構出現較大的扭轉反應而導致破壞。下面結合工程實例討論下在高層建筑結構的設計中如何對結構的扭轉進行控制。2結構扭轉機理及扭轉變形分析2.1結構扭轉機理 根據材料力學可知，當一個構件受到扭矩作用時，離構件剛度中心越遠的地方剪應力越大，剪切變形也越大。在整體建筑結構中，當結構受到扭矩作用時，豎向構件將承受剪力。如圖1所示的一均勻對稱的結構，質心和剛心重合于O點，當結構受到一扭矩T，那么將在各柱中產生F1和F2的剪力。其中離剛心遠的柱受的剪力F1要大于離剛心近的柱受的剪力F2。也就是說當結構受到扭矩作用時，離剛心越遠的豎向構件將承受越大的剪力。根據結構理論可知，構件的剪切破壞是
4、脆性的；一旦由于扭轉作用而使得地震作用產生的水平剪力大于豎向墻柱構件所能承擔的剪力，這將導致結構豎向墻柱構件發生脆性剪切破壞，結構將可能在瞬間發生脆性破壞而倒塌。2.2結構扭轉變形分析 假定樓板為平面內無限剛，當結構發生平動和扭轉時，將發生圖2所示的變形。那么avg=(max-min)/2（1）。式中，max為按剛性樓蓋假定，同一側樓層角點豎向構件最大水平位移或最大層間位移，min為按剛性樓蓋假定，同一側樓層角點豎向構件最小水平位移或最小層間位移，avg為按剛性樓蓋假定，該樓層平均水平位移或平均層間位移；令位移比=max/avg，將其代入（1）式，可得，max/min=/(2-)（2）。由此可
5、得 從上表中數據可以看出，當1.5時，max3max，此時隨著的增加，max/min迅速增大，整個結構變形受力將變得十分不均勻，結構在地震作用下將在變形最大的豎向構件處首先破壞，從而造成結構破壞。為了控制樓層變形的均勻性，抗規和高規都做了如下規定：考慮單向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或層間位移不宜大于該樓層水平或層間位移平均值的1.2倍，A類高層不應大于該樓層水平或層間位移平均值的1.5倍，B類高層不應大于該樓層水平或層間位移平均值的1.4倍。3扭轉效應的控制措施3.1側力結構布置必須均勻、對稱 在高層建筑設計中，布置抗側力構件時須遵循均勻、分散、對稱的原則，盡可能使結
6、構的質量中心與剛度中心接近。在實際工程中質量中心與剛度中心偏離太大，結構的抗側力構件布置不均勻會造成地震作用下扭轉效應明顯，位移比與周期比超限。 平面剛度是否均勻是地震是否造成扭轉破壞的重要原因，而影響剛度是否均勻的主要因素是剪力墻的布置，剪力墻不要集中布置在結構的一端，剛度很大的剪力墻偏置的結構在地震作用下扭轉效應很大。對稱布置的剪力墻、井筒有利于減少扭轉。周邊布置剪力墻，或周邊布置剛度很大的抗側力構件，都是增加結構抗扭剛度的重要措施，有利于抵抗扭轉。結構平面上質量的分布也要盡可能均勻，質量偏心會引起扭轉。質量集中在周邊也會加大扭轉。剛心與質心盡可能靠近，可以有效減少地震作用下的扭轉。3.2
7、增加結構的抗扭剛度 從力學概念可知構件離質心越遠，其抗扭剛度就越大，將建筑物四角的剪力墻或連梁加強都是行之有效的措施。對于具體的工程為了加大結構的抗扭剛度，首先加強最大位移處的抗側力剛度，然后可以采用下列辦法： 框架結構可以采取局部加強四周框架梁的剛度（加大截面的方法），在建筑物的四角部位布置L形剪力墻用以提高整體結構的抗扭剛度。 剪力墻結構可以加厚四周（外墻）剪力墻的厚度；剪力墻結構也可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，為了加強剪力墻的抗扭剛度，可將樓面以上至窗下面的高度部分也做成連梁，即除窗洞外，其余部分均為連梁。3.3防止高層建筑的平面過于狹長 有些房地產
8、公司為了多出戶型，建筑專業為了滿足甲方的要求布置出來的高層住宅平面過于狹長。而平面狹長結構的抗扭剛度是比較弱的，這些過于狹長的平面布置即使總體平面對稱，也會出現局部扭轉。對于這種結構平面首先應考慮設置抗震縫把過于狹長的結構平面脫開，如有困難可以采用下列辦法解決。 1)當結構體系采用框架結構，可將邊框架的角柱斷面增大，加大框架梁的截面。用以增加梁的線剛度增加結構的抗扭剛度。 2)當結構體系采用框架剪力墻結構，剪力墻一般布置在樓梯間或電梯間，結構的平面剛度布置往往過于集中不對稱，結構的扭轉效應很大。對于這種情況，應削弱剛度過于集中的樓梯間電梯間剛度，加強外側四周的剛度。具體的做法是在樓梯間電梯間處
9、開必要的結構洞，在外側尤其是角部設置剪力墻，在其狹長的端部設置剛度較大的剪力墻或井筒。 3)當結構體系采用剪力墻結構，就需合理的在平面上布置剪力墻在其狹長的端部設置剛度較大的剪力墻或井筒增強其抗扭剛度，以減少突出部分端部的側向位移，減少局部扭轉。3.4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l層，總高度96M，框架、剪力墻抗震等級均為三級，采用ASTWE程序進行沒計計算。從力學基本概念可知，構件離質心越遠，其抗扭剛度就越大，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
10、著加大結構的抗扭剛度。在實例中。結構布置基本均勻、對稱、位移比、周期比的計算結果從略。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。除了在建筑物外圍布置抗側力結構外，也可以采用削弱核芯筒風度的辦法來調整結構的周期比。在核心部化剪力墻中間開結構洞，使結構剛度達到均勻、分散的同的。盡可能在原剪力墻中間部位開洞，不要靠近兩端，以避免出現短肢剪力墻，更不允許出現異形柱。值得一提的是。為了有效控制結構的位移比，周期比，對于多塔樓結構，各個塔樓應分別計算其位移比，
11、周期比，以保證設計安全，然后再進行整體計算分析。3.5裙房部分防止上下層剛度偏心 在高層建筑沒計中，通常存在以下情況：當主樓滿足高規第4、3、5條的有關控制結構扭轉效廊的要求時，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，裙房的剮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。 解決以上問題的方法有兩種：一是增加裙房部分的剛度在位移最大節瞇處相應的最大位移方向布置剪力墻，以減小裙房的最大位移，使裙房的質量中心與剛度中心盡可能蘑合。二是當樓、裙房都有地下室時。將主樓與裙房在地下竄頂板以上用伸縮縫分開：當
12、主樓有地下窀，裙房無地下室時，如建筑專業允許，可以用沉降縫將主樓與裙房分開，使主樓與裙房分別形成獨立的結構體系，經過這樣處理。能解決裙房部分由于上下層剛度偏心引起的較大扭轉效應。結束語 綜上所述，高層建筑結構設計在初步設計時就應在概念上減少地震作用下的扭轉效應。在實際工程中可以采取上述的具體控制方法，通過以上幾種方法，控制結構的位移比、周期比，可以使結構的抗扭剛度得到明顯增強，使結構的剛度中心與質量中心盡可能重合，減少結構在地震作用下的扭轉效。參考文獻：1凝土高層建筑結構設計與施工規程JGJ320022建筑抗震設計規范GB50011-2010 北京：中國建筑工業出版社，2010 3徐培福，黃小坤，高層建筑混凝土結構技術規程理解與應用4徐培福，黃吉峰，韋承基，高層建筑結構的扭轉反應控制土木工程學報第39卷第7期注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。
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