探讨高层建筑结构的扭转反应控制

探讨高层建筑结构的扭转反应控制

王黎明朱瀚李家丞廖文清吴波

中国建筑第二工程局有限公司北京市100160

摘要：高层建筑结构扭转反应控制是高层建筑抗震结构设计的重要内容，在高层建筑工程中，建筑结构的扭转反应是引起震害的常见原因。因此，需要合理控制高层建筑结构的扭转反应，保证建筑结构的稳定性。本文对高层建筑结构的扭转反应控制进行探讨，以供参考。

关键词：高层建筑；结构；扭转反应；控制

1建筑结构扭转原因分析

（1）外力干扰。一般来讲，衡量一个建筑物的质量如何，抗震性是重要的指标之一。抗震性比较差的建筑物在地震发生时，整栋楼都会发生剧烈震动，动能传递速度较慢，地面的平动分量也不足。建筑物在振动的同时，楼体会发生扭转效应，若是楼体抗侧刚度差、抗扭转性差的话，会导致楼体发生断裂、甚至坍塌的可能。所以说，地震是导致建筑发生扭转效应重要原因之一。（2）建筑自身结构的影响。建筑物的设计中需要充分加强结构的合理控制，如刚度中心、质量中心的合理设计，需要保证二者重合要求，避免建筑体的扭转效应导致的负面影响。一般建筑体需要保证钢心、质心在规定的轴线范围内，避免地面扭转导致的危害，保证剪刀墙不合理设计引起结构不稳。针对建筑体的抗震设计中，需要保证布置均衡、避免偏心的危害。

2高层建筑结构扭转反应控制措施

2.1加强或削弱结构抗侧刚度

在偏心率得到控制的情况下，对结构抗扭刚度和抗侧刚度的比例关系进行调节，加强楼层的抗扭刚度，从而使结构抗扭的综合能力得到增强，满足周期比要求。所谓的加强抗侧刚度是相对于位移角的规范限制而言的，如果高层建筑整体抗侧刚度还达不到要求，但位移角刚已经达到要求，这时候就需要加强抗侧刚度；如果整体结构的抗侧刚度已经达到要求，但位移角刚还是小于常规的限值，就要适度削弱结构抗侧刚度，以达到平衡状态。

2.2.小高层框架结构的设计分析

结构设计中，经常遇到长体结构形式，需要进行伸缩缝的特殊处理，在施工条件满足要求的状况下，需要对端部进行开间抗侧刚度加强处理，其具体做法分析如下：增大框架结构的截面，延长梁体的实际高度。施工允许范围内，需要进行框架跨数增加的方法实现刚度优化，保证梁的线刚度实现加强，提高抗扭转的应对能力。

2.3周期比的控制

周期比，顾名思义指的是以扭转为主的固有结构的振型周期与以平均振型的周期的比值。在计算过程中，我们不需要考虑偶然偏心对计算的影响。而对于周期比的控制有两种情况。一个是对于结构的布置均匀，相对比较对称的建筑结构，对于它的周期比值为非耦连与非耦连的周期比值。另一种是针对建筑结构布置不匀称，刚心与质心不重合的情况。这种情况的比值为耦连与耦连的周期比值。

其一，非耦连周期比，其主要适用于结构布置均匀的高层建筑，该参数会影响到建筑的质量与刚度，建筑抗扭与抗侧两种刚度，也可以通过该参数表现出来，周期比的数值与建筑抗扭强度呈现出负相关关系，也就是说，前者较小，后者较大；前者较大，后者较小。所以，对周期比进行控制，就能够控制建筑的扭转反应。其二，耦连周期比，也同样能反映出抗侧刚度与抗扭刚度之间的关系。这与非耦连的周期比有关，如果耦连的周期比满足规程中的规定并且它的偏心率不大时，则它与非耦连的区别是很小的。在实际建筑设计中，对于结构布置不规则的耦连建筑，我们可以直接算出其耦连的周期比值，但是我们却计算不出它的非耦连的周期比值，主要原因在于它的高层建筑的刚心问题。直到目前也没有比较被大家认可的计算方法，所以对于耦连的建筑结构我们直接采用耦连得到的周期比值来进行监控。

2.4位移比的控制

借助位移比可反映建筑体扭转程度，可表面对应楼层的最大位移、平均位移、层间位移等。当建筑体两端无法保证均匀性要求时，地震会引起扭转现象，为此必须加强位移比的控制处理。工程项目中，若建筑体的布置均衡、偏心合理、位移满足规范要，但周期比不合适，表面结构不当，原因可能是抗扭刚度过低、也可能是刚度分布不平衡导致，需要加强进行结构的调整处理。此外，当建筑体偏心明显、结构布置无法保证规则性，但是位移比周期比满足要求时，一般考虑原因为结构不规则引起的扭转力引起，需要对位移比进行调控，以便提高抗扭刚度。现代建筑施工中，高层建筑底部的位移比一般不高于1.5，特殊建筑可能达到1.6，但是上限为1.8。现代高层建筑中，楼层位移比一般需要控制在1.4-1.5范围之内。

2.5布置抗震墙

在不违背建筑方案的前提下，要在建筑物的外体上布置能够起到抗震作用的钢筋水泥墙，钢筋水泥抗震墙作为抗侧力结构构件，在抵抗扭转反应力方面有着重要作用。钢筋水泥抗震墙的布置要均匀、连续，而且要顺着建筑物高度方向走，墙体刚度随建筑物层数增高而逐渐减小，只有按照上述要求来布置抗震墙，才能真正起到抵抗扭转反应，避免结构体出现薄弱部位。

2.6设置连梁

在建筑物外围抗震墙开设洞口时，要在洞口项部设置连梁连梁的配筋率要足够够并且连梁的截面高度要与建筑外围洞口高度相适应。采取这种措施，可以保证连梁跟抗震墙连在一起，从而增强建筑结构整体的抗扭转刚度。

3单塔楼与双塔楼中的扭转反应控制分析

3.1单塔楼的扭转反应控制

针对单塔楼结构的扭转反应，需要根据规程中的要求对周期比和位移比进行严格控制。如果周期比和位移比无法进行有效的控制，则需要证明该建筑的结构及质量分布性较差，且其抗扭刚度较低。此时，需要根据具体要求不断调整结构。针对单塔楼的扭转反应的特性，在进行设计的时候，主要需要注意一下两方面的问题：（1）针对质量分布均匀，建筑结构匀称，周期比与位移比不合格的单塔楼。我们应该增加它的抗侧刚度和抗扭刚度，并且减小它的周期比和位移比。这样使得周期比和位移比都满足正常的要求。（2）针对建筑质量分布不均匀、结构不匀称且周期比和位移比未达到规程要求的单塔楼结构，需要控制其周期比，并提升偏西率，从而满足位移比要求。在实际设计的过程中，需要同时减小周期比和位移比，而不是仅仅减小周期比。为了实现这一目标，可以根据建筑结构的实际特征对周期比进行合理控制。具体可以通过下面的两种方法来实现：第一种方法是调整其质量分布和结构的刚度。刚度和质量分布是对应着建筑的偏心率的。但是在实际情况下是不容易计算出结构的偏心率的，所以我们通过对基本振型的控制来间接求得偏心率。这样我们就能得出结构的偏心率，从而减小位移比和周期比。而第二种方法则是调整建筑的抗扭刚度和抗侧刚度。这样通过增加结构的抗扭强度，可以增加其抗扭能力，使得周期比符合正常的要求。

3.2多塔楼的扭转反应控制

在相关规程中，有关多塔楼扭转反应控制的内容目前仍然较少。所以，在设计多塔楼结构时，仍然需要根据实际情况进行建筑的扭转反应控制。就目前来看，多塔楼上部是否得到连接，将直接影响建筑的抗扭刚度。针对上部无连接的多塔楼，由于无法将其对单塔楼结构对应起来，所以基本难以进行建筑周期比和位移比的计算，因此也往往难以进行建筑的扭转反应控制。针对上部存在刚性连接的多塔楼，就可以将其看成是单塔楼结构。而该种结构将导致建筑形成扭转振型效应，在计算时可以单塔楼计算方法计算周期比，以确保计算结果的准确性。

4结语

随着现代建筑行业的不断发展，出现了大量的不规则建筑结构，为了确保高层建筑结构使用的安全性和稳定性，需要减少质心与钢心的偏差，提高结构的抗扭刚度，同时，重要的是对周期比和位移比的控制，从而实现对高层建筑结构的扭转反应的有效控制。

参考文献：

[1]“底部架空、上部出挑”结构扭转反应控制指标探讨[J].王江龙，赵冬，王栋，刘国龙.建筑科学.2016（09）

[2]高层建筑结构设计不规则性的研究与应用分析[J].王海波.价值工程.2016（07）