高层建筑设计中扭转效应的控制

陈慧敏

（新昌县一建公司建筑设计所，浙江 新昌 312500）

1 扭转不规则在平面不规则类别是排前位。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。国内一些振动台模型试验结果也表明，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，结构设计人员必须对抗侧力结构布置进行优化调整，限制结构的平面扭转效应，使其满足有关规范的要求。

2 在建筑物外围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1层，总高度96M，框架、剪力墙抗震等级均为三级，采用ASTWE程序进行设计计算。

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，在建筑物外围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。

除了在建筑物外围布置抗侧力结构外，也可以采用削弱核芯筒风度的办法来调整结构的周期比。在核心部位剪力墙中间开结构洞，使结构刚度达到均匀、分散的目的。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 抗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，必须遵循均匀、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。当位移比不能满足《高规》要求时，往往是结构的抗侧力构件布置不均匀引起的。例如靠近一边布置剪力墙或剪力墙布置不均匀等。

工程实例中，如果单边将轴（1）附近的剪力墙改为框架结构，保留轴（6）附近的剪力墙，这样结构Y向抗侧力构件布置就不均匀、不对称。X向受力结构仍然对称，故位移比变化不大；Y向抗侧力结构明显偏心，位移比从1/16增加到1.45，Y向最大层间位移角从1/1845增加到1/1436。

4 尽可能加大现有周边抗侧力结构的刚度

为了加大结构的抗扭刚度，除了可在最大位移处布置抗侧力结构外，还可以采用的加大原有抗侧力结构刚度的方法有：

4.1 将建筑物外角原单向剪力墙布置成；形剪力墙，且尽可能延长，外立面转角尽可能避免开窗，更不要开转角窗。

4.2 加厚离质心较远处剪力墙的厚度。

4.3 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。为了增加剪力墙抗扭刚度，可以将楼面以上至窗下边的高度部分也变成连梁，即除窗洞外，其余部分均为连梁。

5 裙房部分防止上下层刚度偏心

在高层建筑设计中，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应的要求时，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，裙房的刚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重合。二是当楼、裙房都有地下室时，将主楼与裙房在地下室顶板以上用伸缩缝分开；当主楼有地下室，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。

6 高层建筑防止结构平面过于狭长

现在，十多层左右的小高层住宅较多，建筑专业为了满足使用要求，往往套用多层砖混结构住宅的户型，大多数小高层住宅的平面布置过于狭长，其长度比接近或超过《高规》第4、3、3条的要求，有的长度超过了《混凝土结构设计规范》）GB50010-2002）规定的钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距要求。一般来说，平面狭长结构的抗扭刚度是比较弱的，很难满足《高规》的要求。可以通过以下两个方法解决。

6.1 小高层结构体系采用框架结构，首先尽可能将过于狭长的结构用伸缩缝脱开。如果建筑专业不允许，可通过加大端部开间的抗侧刚度达到限制结构扭转效应的目的，具体可将边框架的角魔王断面增大，加大框架梁的高度，如条件允许，中间增加框架柱，即增加框架的跨数。这些方法可以增加梁的线刚度，也可显著增加结构的抗扭刚度。

6.2 小高层结构体系采用框架—剪力墙结构，由于房屋高度不高，剪力墙一般仅布置在楼梯间或电梯间，这些抗侧力结构往往过于集中或设置不对称，结构的扭转效应很大。在这种情况下，必须削弱中间部分剪力墙的刚度，在外侧加剪力墙。但此时结构的抗侧刚度太大，没有必要。因此能采用框架体系时，尽量不采用框架—剪力墙体系，因为在地震烈度不大的地区采用框架结构反而能满足《高规》控制抗扭效应的要求。

7 结束语

结合工程实例，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。

[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）

[2]PKPM系列新规范设计软件ASTWE、TAT、PMSAP应用指南，中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所，2004.