摘要：结构在风荷载和地震作用下不可避免的受到扭转作用。在计算中，扭转引起的问题是最难以处理的。如果仅靠增加竖向构件的截面和数量来控制结构的扭转效应，会使得结构的抗侧刚度大大的超出规范的要求，这无疑是一种浪费。通过对结构模型进行力学上的正确处理，就能使得计算分析结果既符合结构实际的受力性能，又能达到截面最合理，配筋最优的目标。
关键词：高层建筑；扭转效应；结构设计；优化措施
一、引言
作为大尺寸的三维空间结构，高层建筑结构具有构件多，受力复杂的特点。由于现有的结构计算分析软件都有其各自的适用条件，设计时使用不当易导致设计的不安全性。所以，在进行计算分析时，要结合实际情况，对结构模型进行力学上的正确处理，使其计算分析结果既符合结构实际的受力性能，又能达到截面最合理，配筋最优的目标。
二、设计过程中的优化措施
在设计计算中，扭转引起的问题是最难以处理的。一方面，是由于平面布置的原因，结构本身的刚度中心和质量中心不重合引起了扭转偏心；另一方面，由于施工偏差和活荷载分布不均匀等因素引起了偶然偏心。此外，地震时地面运动的扭转分量和强风载荷也会使结构产生扭转振动，受到不可避免的扭转作用。在计算中，扭转引起的问题是最难以处理的。
对于高层建筑，控制其结构的扭转效应，首先需要尽可能避免平面布置的不规则性，防止过大的偏心而导致结构过大的扭转反应；其次，是结构本身的抗扭刚度不能太弱，要有足够的抗扭能力。
由于扭转振动的影响，远离刚度中心的构件侧移量明显增大，所分担的水平地震剪力也显著增大衡量刚度是否合适的标准：
1）、层间位移角是否在规范限值内。2）、刚重比是否大于规范限值要求。
判定扭转不规则的指标：扭转位移比、扭平周期比
1.框架-剪力墙和剪力墙结构的优化措施
当结构平面布置受空间使用要求限制时，有时会导致X向、Y向刚度相差太大，容易产生扭转，导致第二阵型为扭转阵型，周期比也容易超过规范限制。较为可行的解决办法是：增加较小方向的刚度，增大该方向的墙柱截面或者增大该方向的梁高，尤其是外边侧的梁高是相当有效的。当然，如果刚度较大方向刚度富裕度较大，也可以减小该方向的刚度，即减小该方向的墙柱截面或数量。不要盲目的加大竖向构件的刚度，否则只会加剧结构刚度不对称的情况。
在结构布置中，常会出现一些框架梁、支座两端的约束条件不一样，有一端的刚度极大（如一端为剪力墙核心筒），这时就会出现这一端弯矩极大，怎么调整也无法通过计算的困境。这种情况下，我们可以通过端部点铰接的方法来降低端部的约束弯矩，使得计算得以通过。这种办法规范也是允许的（《高规》第6.1.1 条，已明确说明个别部位框架梁梁端是可采用铰接的）。此外，我们也可在程序中选择定义该梁为连梁，在计算时，梁弯矩也会按照连梁的折减系数进行折减，从而使得计算得以通过。
但是，这两种办法都会导致该榀框架平面内的刚度降低，从而使得结构的整体刚度下降。因此，在采用这种解决方式的同时，要注意加强其余位置的刚度以保证结构整体刚度能符合要求。
以某高层住宅为例。
本工程建筑面积为50495平方米。主楼部分为地上四十五层，地下三层，剪力墙结构。主楼主要屋面高度为133.5m，属超高层建筑。X向长度为38米，Y向长度为25米，平面为“工”形。
因为墙体的平面布置受到限制，导致Y向刚度小于X向刚度较多，平面左上角墙体的侧移量太大，墙体轴压比超限值，扭平周期比不满足要求。如果仅增大这个位置的墙体的截面尺寸，加大了它的刚度，却使它承担了更大的水平力，仍旧无法通过计算。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆最后采取的办法是减薄X向部分墙体的厚度，降低X向刚度，同时通过加大Y向外周墙的长度和外周梁的高度，提高Y向的刚度后，这个问题终得以解决。
在平面靠近腰部的位置，有一根框架梁，受到负弯矩很大，但梁高受限，无法加大截面。在梁端点取了铰接后，该梁可以通过计算了，但是多层同一位置梁点取铰接，却使得结构整体刚度有一定幅度的下降，为此调整了部分墙体的长度和厚度，以弥补这部分的刚度损失。
在建立模型时，设计者常常会完全按照建筑平面图的形状去布置墙体，有些“L”形墙体的翼墙长度很小，常常小于墙厚的3倍。在墙体计算结果中，有时会出现这些小墙肢超筋的情况。这是因为没有合理的建立模型，程序在进行墙元划分时，单元形状不规则，不合理的小墙肢在有限元模型中引起了混乱，计算时不仅精度低，而且有缺秩的危险，导致无法求解，所以出现了小墙肢不合理的配筋，并不是因为该小墙肢承担了很大的力，事实上，如果我们将小墙肢从计算模型上取消，整体刚度的的变化微乎其微，相关墙体的配筋也几乎没有变化。
当模型非常复杂时，可能会由于节点间距小于150mm，出现非常小的几何对象，计算会出现不合理的结果。处理办法：移动微小的距离，合并两个节点仍以上述建筑为例。
建模时，因为有些洞口过于靠边，保留的有些小墙肢在计算中超筋，取消这些小墙肢后，对整体计算结果几乎没有影响。
2.框架结构的优化措施
对于框架结构的高层建筑，如果结构抗扭不满足要求，要检查结构平面是否满足了平面规则性的要求。建筑的长宽比不宜过大，因为平面过于狭长的高层建筑在地震时由于两端地震动输入有相位差而容易产生不规则振动，从而产生较大的震害。在设计中，就表现为两端竖向构件，截面超筋，扭转位移比超出限值。遇到这种情况，首先考虑加大建筑两端竖向构件截面，加高两端边榀框架梁的高度，如果还不能解决问题，建议在结构布置中在建筑靠近两端的地方增加少量剪力墙，就可以很好地改善这些问题。
以某图书馆为例。
本工程建筑面积为37933平方米。主楼部分为地上十一层，，地下一层。主楼主要屋面高度为50m，X向长度为97.5米，Y向长度为30.5米，框架结构。
这栋建筑就属于平面比较窄长的建筑。虽然在《高规》中规定在设防烈度的6、7度区，平面长宽比<6.0的限值，就能满足要求，不过规范也在条文说明中指出，6、7度抗震设计时，L/B在实际工程中最好不要超过4。但是从该项目的计算结果分析，就可以发现尽管L/B才达到3.25，可是计算数据表明，楼层两端抗侧力构件弹性水平位移的最大值与平均值的比值超出规范限值，将端部框架柱截面和框架梁高度调整到建筑已经不能接受的尺寸了，仍然不能解决问题，后来就在结构两端和中间，有电梯井和楼梯间的位置增加了一些剪力墙，将最终的扭转位移比控制在1.17.
《抗规》中第6.1.15条规定，对于框架结构，楼梯构件与主体结构整浇时，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响。如果使用PKPM程序，在计算中就会发现，对于高层框架结构，计入楼梯构件影响后，会导致楼梯周边的柱配筋和截面非常大，不建议按这种处理，一般建议在楼梯的构造上想办法，如梯段支座改为滑动支座。
以某大学学生宿舍为例。
本工程建筑面积为44179平方米。主楼部分为地上九层，主楼主要屋面高度为38.85m，框架结构。在主体计算中框架结构考虑楼梯的影响后，楼梯间四角单根框架柱的一侧配筋就达到10000多，柱截面加大到接近1000x1000mm，这个截面是建筑不能接受的。最终设计时，采取的办法是将梯段支座改为滑动支座，不再考虑楼梯对整体结构的影响。
三．结束语
综上所述，正确的建立计算模型，合理的对计算模型加以简化与调整，正确的解读计算数据，并根据计算结果，采用符合结构概念的手段去修改模型，才能得到传力途径明确，截面最合理，配筋最优的计算结果。
参考文献：
1.《建筑抗震规范理解与应用》，中国建筑工业出版社
论文作者:程国红
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
标签：刚度论文; 结构论文; 截面论文; 墙体论文; 构件论文; 平面论文; 建筑论文; 《基层建设》2018年第23期论文;