华南理工大学 510641
摘要：对于高层建筑而言，结构因扭转反应剧烈而引起的震害很多，控制结构在地震用用下的扭转反应涉及到对地震地面运动扭转分量影响的近似考虑、控制结构扭转振动特性和提高结构抵抗扭转振动的能力。基于此，本文就高层建筑结构设计环节如何做好扭转效应控制的相关要点展开论述。
关键词：高层建筑；结构设计；扭转效应控制
1.扭转效应概述
扭转不规则在平面不规则类别中占第一位。国内外历次大震震害表明，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。根据相关试验结果表明，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，结构设计人员必须做好扭转效应的控制，使其满足有关规范的要求。
2.高层建筑结构设计中扭转效应的控制方法
2.1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。在实际工程中质量中心与刚度中心偏离太大，结构的抗侧力构件布置不均匀会造成地震作用下扭转效应明显，位移比与周期比超限。
平面刚度是否均匀是地震是否造成扭转破坏的重要原因，而影响刚度是否均匀的主要因素是剪力墙的布置，剪力墙不要集中布置在结构的一端，刚度很大的剪力墙偏置的结构在地震作用下扭转效应很大。对称布置的剪力墙、井筒有利于减少扭转。周边布置剪力墙，或周边布置刚度很大的抗侧力构件，都是增加结构抗扭刚度的重要措施，有利于抵抗扭转。
2.2增加结构的抗扭刚度
从力学概念可知构件离质心越远，其抗扭刚度就越大，将建筑物四角的剪力墙或连梁加强都是行之有效的措施。对于具体的工程为了加大结构的抗扭刚度，如某36层超高层办公楼，地下3层，高148m，无结构转换层。场地地震基本烈度为7度，场地类别为Ⅱ类。调整后的结构平面图如图1所示。
图1办公楼调整后的结构平面图
该平面核心筒刚度较大，但位置偏于一侧，结构刚心与质心相差较大，计算结构表明，原结构的周期比与位移比均不满足规范要求。
在结构方案确定过程中，首先结合建筑功能要求，在结构四个角设置L形剪力墙。角部剪力墙的设置，极大地提高了结构的抗扭刚度，计算结果得到很大优化，但抗扭性能仍未能满足规范要求。由于结构整体抗侧刚度已经很大，位移角远小于规范限值，于是考虑通过调整刚度分配及削弱结构抗侧刚度优化结构的抗扭性能。由于结构刚心偏上，故采用削弱上侧剪力墙方法，将上侧剪力墙尽量减薄，并在适当位置开洞。经调整，底层核心筒部分竖向剪力墙厚550mm，下侧的横向剪力墙厚800mm，上侧横向剪力墙厚400mm。调整剪力墙厚度，减小了刚度偏心，结构的抗扭性能得以改善，但上侧的横向剪力墙由于轴压比的要求，不能再小于400mm。加大外框梁刚度能有效提高结构抗扭性能，结合建筑要求，外框梁采用400×900。采取以上措施后，位移比仍有部分无法满足规范要求。最后将图中圈内的连梁刚度尽可能减少，梁高由原先1.8m减至1.0m，最后形成图1中所示结构平面。计算结果表明，周期比Tt/T1=2.78/4.04=0.689，在X+5%偶然偏心地震力作用下，35层的最大位移比Rd=1.37。
2.3防止高层建筑的平面过于狭长
平面狭长结构的抗扭刚度是比较弱的，这些过于狭长的平面布置即使总体平面对称，也会出现局部扭转。对于这种结构平面首先应考虑设置抗震缝把过于狭长的结构平面脱开，如有困难可以采用下列办法解决：
2.3.1当结构体系采用框架结构，可将边框架的角柱断面增大，加大框架梁的截面。用以增加梁的线刚度增加结构的抗扭刚度。
2.3.2当结构体系采用框架—剪力墙结构，剪力墙一般布置在楼梯间或电梯间，结构的平面刚度布置往往过于集中不对称，结构的扭转效应很大。对于这种情况，应削弱刚度过于集中的楼梯间电梯间刚度，加强外侧四周的刚度。具体的做法是在楼梯间电梯间处开必要的结构洞，在外侧尤其是角部设置剪力墙，在其狭长的端部设置刚度较大的剪力墙或井筒。
2.3.2当结构体系采用剪力墙结构，就需合理的在平面上布置剪力墙在其狭长的端部设置刚度较大的剪力墙或井筒增强其抗扭刚度，以减少突出部分端部的侧向位移，减少局部扭转。
2.4调整两方向剪力墙刚度
如某18层高层住宅，无转换层，高55m，场地地震基本烈度为7度，场地类别为Ⅱ类。调整后的结构平面如图1所示。
图1高层住宅调整后的结构平面图
在结构计算过程中，调整前的结构方案扭转性能无法满足规范要求，经分析，由于建筑开门窗要求，结构X、Y方向的刚度相差较大，结构位移较小，整体刚度过大。因此采取调整剪力墙墙肢长度的方法，结构建筑平面尽量设置及加长X向剪力墙墙肢长度，并适当减小Y方向墙肢长度，既可使结构两方向的刚度相近，又可降低整体刚度和减小地震力。经调整后形成上述平面，计算结果表明，Tt/T1=0.89，在Y-5%偶然偏心地震力作用下，首层最大位移比Rdmax=1.29。
结束语：综上，本文主要讨论了高层建筑结构平面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。
参考文献
[1]张璐璐.高层建筑结构设计扭转效应的分析控制[J].低碳世界.2014.
[2]董妮.扭转效应控制在高层建筑结构设计中的应用[J].建材发展导向.2011.
[3]唐园吉，管帅.高层结构的扭转效应控制[J].民营科技.2015.
论文作者:刘翔
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/26
标签：刚度论文; 结构论文; 剪力墙论文; 平面论文; 效应论文; 位移论文; 高层建筑论文; 《建筑学研究前沿》2017年第33期论文;