高层建筑结构设计中扭转效应的控制

摘 要：文章对结构扭转机理及扭转变形做了简单分析,结合工程实践,提出了一些高层建筑结构设计中扭转效应的控制措施.

关 键 词：高层建筑结构设计扭转效应控制措施

1.引言

国内外历次震害表明,当结构平面不规则、质量中心与刚度中心偏差较大或者结构的抗扭刚度较小时,地震时会产生较大的扭转效应,使得结构产生较严重的破坏.国内一些振动台模型的试验结果也表明了这一点.因此,《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ32002）（以下简称《高规》）针对扭转控制提出了一些控制措施及控制参数,防止结构出现较大的扭转反应而导致破坏.下面结合工程实例讨论下在高层建筑结构的设计中如何对结构的扭转进行控制.

2.结构扭转机理及扭转变形分析

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.

2.2结构扭转变形分析

为了控制楼层变形的均匀性,《抗规》和《高规》都做了如下规定：考虑单向偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移或层间位移不宜大于该楼层水平或层间位移平均值的1.2倍,A类高层不应大于该楼层水平或层间位移平均值的1.5倍,B类高层不应大于该楼层水平或层间位移平均值的1.4倍.

3.扭转效应的控制措施

3.1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.结构平面上质量的分布也要尽可能均匀,质量偏心会引起扭转.质量集中在周边也会加大扭转.刚心与质心尽可能靠近,可以有效减少地震作用下的扭转.

3.2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,首先加强最大位移处的抗侧力刚度,然后可以采用下列办法：

框架结构可以采取局部加强四周框架梁的刚度（加大截面的方法）,在建筑物的四角部位布置L形剪力墙用以提高整体结构的抗扭刚度.

剪力墙结构可以加厚四周（外墙）剪力墙的厚度；剪力墙结构也可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,为了加强剪力墙的抗扭刚度,可将楼面以上至窗下面的高度部分也做成连梁,即除窗洞外,其余部分均为连梁.

3.3防止高层建筑的平面过于狭长

有些房地产公司为了多出户型,建筑专业为了满足甲方的要求布置出来的高层住宅平面过于狭长.而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.

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）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.

3）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.

3.4在建筑物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l层,总高度96M,框架、剪力墙抗震等级均为,采用ASTWE程序进行没计计算.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.在核心部化剪力墙中间开结构洞,使结构刚度达到均匀、分散的同的.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.

3.5裙房部分防止上下层刚度偏心

在高层建筑没计中,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廊的要求时,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,裙房的剐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蘑合.二是当楼、裙房都有地下室时.将主楼与裙房在地下窜顶板以上用伸缩缝分开：当主楼有地下窀,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.

结束语

综上所述,高层建筑结构设计在初步设计时就应在概念上减少地震作用下的扭转效应.在实际工程中可以采取上述的具体控制方法,通过以上几种方法,控制结构的位移比、周期比,可以使结构的抗扭刚度得到明显增强,使结构的刚度中心与质量中心尽可能重合,减少结构在地震作用下的扭转效.