05高层建筑结构设计中扭转效应的控制方法.pdf

第 “卷 第 期建筑结构 “年 月 高层建筑结构设计中扭转效应的控制方法 许国平 （宁波市建筑设计研究院 “ ） ［提要］ 结合工程实例， 介绍在高层建筑结构设计中控制扭转效应的具体方法， 即在建筑物外围尽可能均匀、 对称布置抗侧力结构， 减小裙房与主楼上下刚度偏心， 防止小高层建筑结构平面过于狭长。 ［关键词］ 高层建筑扭转效应位移比周期比控制方法 “ “ 3 , 6） 7 8 1 / 3 6 5 ,5 , - , 5 5 1 , -* 1 6 2 4 2 5，4 3 5 2 , 4 1 7 7 , -A 5 4 3 B 4 3 5* 7 6 , 5 4 1 , 6 7 5 B B 5 2 4 , 4 6 7 7 / ’ 7 , - 4 1 ’ 2 4 ’ 1 6 7 5 - ,6 1 5* 1 5 5 , 4 5 ， , 2 7 ’ , - C AA 5 4 1 2 6 7 7 C 5 4 4 , - 4 1 ’ 2 4 ’ 1 6 7A 5 A / 5 1 6 4 4 3 5* 5 1 * 3 5 1 C B 4 1 ’ 2 4 ’ 1 5， 5 2 1 5 6 , - 4 3 5 5 2 2 5 , 4 1 2 4 C B 4 B B , 5 5 / 5 4 D 5 5 ,6 , , 5 E6 , A 6 ,/ ’ 7 , -，6 , 1 5 ’ 2 , - 4 3 5 7 5 , - 4 3 9 D 4 31 6 4 B 4 1 ’ 2 4 ’ 1 6 7 * 7 6 , 5 F 9 * ; “ , 14 6 7 7 / ’ 7 , -；4 1 , 6 7 5 B B 5 2 4； * 7 6 2 5 A 5 , 4 1 6 4 ；* 5 1 1 6 4 ；2 , 4 1 7 7 , -A 5 4 3 前言 扭转不规则在平面不规则类别中占第一位。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。 下面结合 建筑抗震设计规范（ “ ） （简称 抗震规范 ） 和 高层建筑混凝土结构技术规程 （G G ）（简称 高规 ） 和工程实例对高层建筑结 构平面扭转效应控制的具体方法进行探讨。 在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构 某高层建筑， 主体结构标准层平面如图所示， 结 构体系为框架9剪力墙， 抗震设防烈度为H度，类场 地土， 丙类建筑， 地上 H层， 地下层， 总高度I H A， 框 架、 剪力墙抗震等级均为三级， 采用J 0 KLM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。 在图工程实例中， 结构布置基本均匀、 对称， 位 移比、 周期比的计算结果见表列“。如果将两端轴 “，附近的剪力墙全部改为框架结构， 则其位移比和 图标准层平面图 位移比、 周期比计算结果综合表表 “’ E A 6 E ／ E 5 N N O N N P N O “E A 6 E／“E 5 N P N N N I N C A 6 E ／ C 5 N H N O N O “ N O N O “C A 6 E／“ C 5 N O N N I N N E A 6 E （1 6 ） ／P I I／H P ／P ／I ／I C A 6 E （1 6 ） ／Q O “／H P ／O H／ ／ “ （） N P H “P N H QO N I H N “ H N “ “ O 3 （） N P OI N H P“ N “ P PO N I N “ OP ／3 N P P N P Q N P H N P N P 注 E A 6 E，C A 6 E分别为“，向楼层最大水平位移；“E A 6 E，“C A 6 E分别为 “，向最大层间位移；E 5， C 5 分别为“， 向的层平均位移；“E 5，“ C 5 分别为 “，向的层平均层间位移；E A 6 E，C A 6 E分别为“，向最大层间位移角； ， 3 分别为以扭转为主、 以平动为主的第一自振周期。 周期比的计算结果见表列。 从计算结果可以看出， 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 用削弱核芯筒刚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。 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。 在图工程实例中， 如果单边将轴附近的剪力 墙改为框架结构， 保留轴“附近的剪力墙。这样结构 向抗侧力构件布置就不均匀、 不对称， 其计算结果如 表列所示。从计算结果可以看出， “向受力结构 仍然对称， 故位移比变化不大； 向抗侧力结构明显偏 心， 位移比从 “ 增加到 “ ， 向最大层间位移角 从／ 增加到／ ’ 。 “ 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 （） 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。 （） 加厚离质心较远处剪力墙的厚度。 （’） 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。 在图所示的工程实例中， 将轴，“剪力墙厚度 从 *改为’ *时， 位移比、 周期比的变化见表列 。将轴，连梁高度从 *改成 *时， 位移比、 周期比的变化见表列’。可以看出， 采取以上措施 后， 位移比、 最大层间位移角、 结构的周期均有不同程 度减小， 结构的扭转周期靠后。 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 “ ’ “ 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， 在位移最大节点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。二是当主楼、 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。 小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， 其长宽比接 近或超过 高规 第 “ ’ “ ’条的要求， 有的长度超过了 混凝土结构设计规范（, - * * * * * ） 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。 （） 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柱断面增大， 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。 （） 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。 结语 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形状的前提下， 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。 参考文献 “高层建筑混凝土结构技术规程 （/ , / ’ * * ）0 “1 2 13系列新规范设计软件4 5 678、6 5 6、13 4 5 1应用指南0 中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所， * * 0