扭转效应对高层建筑的影响

扭转效应对高层建筑的影响

高层建筑混凝土结构技术规程》规定：抗震设计的钢筋混凝土高层建筑其平面布置宜简单、规则、对称、减少偏心；平面长度不宜过长；结构平面布置应减少扭转的影响，在考虑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和层间位移A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比A级高度高层建筑不应大于0.9。上述规定都是从概念设计角度提出的，但是规程和规范终究有局限性，只能针对一些普遍的、典型的情况提出要求。对于千变万化的各种情况，需要结构工程师运用概念做出设计，并进行具体的分析，采取具体的措施。实际上，由于建筑造型的要求、建筑功能的需要、以及建筑场地的限制，大多数高层建筑的结构平面布置和竖向布置很难达到规程所要求的标准。此时就要求结构工程师对结构的抗侧力体系布置进行合适的调整，限制结构的平面扭转效应，使结构的平动周期比扭转周期出现的要早。概念上平动比扭转要好，因为平动时竖向构件的位移是相同的，各竖向构件的受力大致均匀，但扭转就不同了，扭转时周边构件位移要比中心构件位移大得多，造成受力大的构件在其他构件还没充分发挥的情况下就先破坏了。这就要求结构在计算中要控制位移比、周期比等相关指标使其满足规范要求。

位移比是楼层最大杆件位移与杆件平均位移的比值。位移比是控制结构扭转效应的一个参数，位移比越大结构扭转效应越明显。周期比是结构第一扭转周期与第一侧振周期的比值。验算周期比的目的主要为控制结构在罕遇大震下的扭转效应。周期比控制可以使结构抗侧力构件的平面布局合理，减少结构在地震作用下的扭转效应。周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。所以一旦出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往效果不明显。本文就结合具体的工程实例对减少高层结构平面扭转效应的具体方法进行讨论。

1 结构平面布置时要尽可能使平面刚度均匀，使刚心与质心尽可能靠近，减少地震作用下的扭转。

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。

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。

某高层建筑，结构标准层平面如图一所示，结构体系为剪力墙结构，抗震设防烈度为8度，Ⅱ类场地土，丙类建筑，地上22层，地下一层，总高度68米，剪力墙抗震等级二级，采用SATEW程序进行设计计算。

图一的工程实例为一剪力墙住宅结构，结构计算时编号为2与44的拉梁没有设置，编号为2、3与6、7的连梁截面为500高时，结构计算结果最大位移比1.35，周期比达到0. 96，X的层间位移1/1025， Y方向层间位移1/1130。调整为图一所示的结构平面布置计算后，结构最大位移比1.2，周期比0.886，X方向的层间位移1/1098，与Y方向层间位移1/ 1224。该工程结构平面布置基本均匀、对称，从计算结果可以看出在结构的薄弱部位加设拉梁，把编号为2、3与6、7的连梁截面加大为900高后结构的抗扭刚度得到加强，结构的位移比、周期比均达到了规范的限值，结构在地震作用下的扭转明显减少。

在图一中其它条件不变，编号为9、12与106、109的梁取消，在该位置处设剪力墙。计算后结构的最大位移比1.19，周期比0.821。X方向的层间位移1/1033，与Y方向层间位移1/1146可见在周边加设剪力墙后，结构的抗扭刚度加大，周期比减小。从图一与图二的质心与刚心关系看，图一质心与刚心基本重合，图二加设剪力墙后刚心下移与质心远离，质心与刚心不重合时层间位移会增加。

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。

A) 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。

B) 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。

C) 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。

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