高層建筑設(shè)計(jì)中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制

陳慧敏

（新昌縣一建公司建筑設(shè)計(jì)所，浙江 新昌 312500）

1 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則在平面不規(guī)則類別是排前位。國(guó)內(nèi)外歷次大震震害表明，平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心和扭轉(zhuǎn)剛度太弱的結(jié)構(gòu)，在地震中受到嚴(yán)重的破壞。國(guó)內(nèi)一些振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)果也表明，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。在實(shí)際工程中，由于建筑造型的要求、建筑場(chǎng)地的限制或建筑功能的需要，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大多數(shù)結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置很難達(dá)到規(guī)范所要求的“規(guī)則”標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須對(duì)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，限制結(jié)構(gòu)的平面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使其滿足有關(guān)規(guī)范的要求。

2 在建筑物外圍盡可能布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)

某高層建筑，結(jié)構(gòu)體系為框架剪力墻，抗震設(shè)防烈度為6度，IV類場(chǎng)地土，丙類建筑，地上26層，地下1層，總高度96M，框架、剪力墻抗震等級(jí)均為三級(jí)，采用ASTWE程序進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

從力學(xué)基本概念可知，構(gòu)件離質(zhì)心越遠(yuǎn)，其抗扭剛度就越大，所以，在建筑物外圍盡可能布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，這樣，在不增加抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量的基礎(chǔ)上，可以顯著加大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

在實(shí)例中，結(jié)構(gòu)布置基本均勻、對(duì)稱、位移比、周期比的計(jì)算結(jié)果從略。如果將兩端軸附近的剪力墻全部改為框架結(jié)構(gòu)，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(gè)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、平動(dòng)周期均增大。由于兩邊剪力墻同時(shí)刪去，結(jié)構(gòu)仍基本均勻，對(duì)稱，故周期比基本不變。

除了在建筑物外圍布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)外，也可以采用削弱核芯筒風(fēng)度的辦法來調(diào)整結(jié)構(gòu)的周期比。在核心部位剪力墻中間開結(jié)構(gòu)洞，使結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到均勻、分散的目的。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(xiàn)短肢剪力墻，更不允許出現(xiàn)異形柱。

值得一提的是。為了有效控制結(jié)構(gòu)的位移比，周期比，對(duì)于多塔樓結(jié)構(gòu)，各個(gè)塔樓應(yīng)分別計(jì)算其位移比，周期比，以保證設(shè)計(jì)安全，然后再進(jìn)行整體計(jì)算分析。

3 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置必須均勻、對(duì)稱

在高層建筑設(shè)計(jì)中，布置抗側(cè)力構(gòu)件時(shí)，必須遵循均勻、分散、對(duì)稱的原則，盡可能使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心接近。當(dāng)位移比不能滿足《高規(guī)》要求時(shí)，往往是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件布置不均勻引起的。例如靠近一邊布置剪力墻或剪力墻布置不均勻等。

工程實(shí)例中，如果單邊將軸（1）附近的剪力墻改為框架結(jié)構(gòu)，保留軸（6）附近的剪力墻，這樣結(jié)構(gòu)Y向抗側(cè)力構(gòu)件布置就不均勻、不對(duì)稱。X向受力結(jié)構(gòu)仍然對(duì)稱，故位移比變化不大；Y向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)明顯偏心，位移比從1/16增加到1.45，Y向最大層間位移角從1/1845增加到1/1436。

4 盡可能加大現(xiàn)有周邊抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度

為了加大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，除了可在最大位移處布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)外，還可以采用的加大原有抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度的方法有：

4.1 將建筑物外角原單向剪力墻布置成；形剪力墻，且盡可能延長(zhǎng)，外立面轉(zhuǎn)角盡可能避免開窗，更不要開轉(zhuǎn)角窗。

4.2 加厚離質(zhì)心較遠(yuǎn)處剪力墻的厚度。

4.3 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?shù)母叨取榱嗽黾蛹袅古偠?，可以將樓面以上至窗下邊的高度部分也變成連梁，即除窗洞外，其余部分均為連梁。

5 裙房部分防止上下層剛度偏心

在高層建筑設(shè)計(jì)中，通常存在以下情況：當(dāng)主樓滿足《高規(guī)》第4、3、5條的有關(guān)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的要求時(shí)，裙房部分卻不能滿足。這主要是由于結(jié)構(gòu)上下剛度偏心較大，裙房相對(duì)于主樓偏心布置。裙房平面不規(guī)則或過于狹長(zhǎng)，裙房的剛度相對(duì)于主樓來說太弱，剛度中心與質(zhì)量中心相差太遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)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(jié)瞇處相應(yīng)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(zhì)量中心與剛度中心盡可能重合。二是當(dāng)樓、裙房都有地下室時(shí)，將主樓與裙房在地下室頂板以上用伸縮縫分開；當(dāng)主樓有地下室，裙房無地下室時(shí)，如建筑專業(yè)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(dú)立的結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)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(zhuǎn)效應(yīng)。

6 高層建筑防止結(jié)構(gòu)平面過于狹長(zhǎng)

現(xiàn)在，十多層左右的小高層住宅較多，建筑專業(yè)為了滿足使用要求，往往套用多層磚混結(jié)構(gòu)住宅的戶型，大多數(shù)小高層住宅的平面布置過于狹長(zhǎng)，其長(zhǎng)度比接近或超過《高規(guī)》第4、3、3條的要求，有的長(zhǎng)度超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》）GB50010-2002）規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距要求。一般來說，平面狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度是比較弱的，很難滿足《高規(guī)》的要求。可以通過以下兩個(gè)方法解決。

6.1 小高層結(jié)構(gòu)體系采用框架結(jié)構(gòu)，首先盡可能將過于狹長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)用伸縮縫脫開。如果建筑專業(yè)不允許，可通過加大端部開間的抗側(cè)剛度達(dá)到限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的，具體可將邊框架的角魔王斷面增大，加大框架梁的高度，如條件允許，中間增加框架柱，即增加框架的跨數(shù)。這些方法可以增加梁的線剛度，也可顯著增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

6.2 小高層結(jié)構(gòu)體系采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，由于房屋高度不高，剪力墻一般僅布置在樓梯間或電梯間，這些抗側(cè)力結(jié)構(gòu)往往過于集中或設(shè)置不對(duì)稱，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)很大。在這種情況下，必須削弱中間部分剪力墻的剛度，在外側(cè)加剪力墻。但此時(shí)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度太大，沒有必要。因此能采用框架體系時(shí)，盡量不采用框架—剪力墻體系，因?yàn)樵诘卣鹆叶炔淮蟮牡貐^(qū)采用框架結(jié)構(gòu)反而能滿足《高規(guī)》控制抗扭效應(yīng)的要求。

7 結(jié)束語

結(jié)合工程實(shí)例，討論了高層建筑結(jié)構(gòu)平面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的具體控制方法，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)平面的條件下，即在不改變結(jié)構(gòu)體系及平面開頭的前提下，通過以上幾種方法，可以使結(jié)構(gòu)的抗扭剛度得到明顯增強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心盡可能重合，減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

[1]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）

[2]PKPM系列新規(guī)范設(shè)計(jì)軟件ASTWE、TAT、PMSAP應(yīng)用指南，中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所，2004.