高层建筑的扭转效应

扭转效应对高层建筑的影响《高规》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、周期比，可以使结构的抗扭刚度得到明显增强，使结构的刚度中心与质量中心尽可能重合，减少结构在地震作用下的扭转效高层结构设计需要控制的七个比值及调整方法高层设计的难点在于竖向承重构件（柱、剪力墙等）的合理布置，设计过程中控制的目标参数主要有如下七个：1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.7和6.4.6，高规6.4.2和7.2.14。轴压比不满足时的调整方法：1）程序调整：SATWE程序不能实现。2）人工调整：增大该墙、柱截面或提高该楼层墙、柱混凝土强度。2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5，高规3.3.13。这个要求如同最小配筋率的要求，算出来的地震剪力如果达不到规范的最低要求，就要人为提高，并按这个最低要求完成后续的计算。剪重比不满足时的调整方法：1）程序调整：在SATWE的“调整信息”中勾选“按抗震规范5.2.5调整各楼层地震内力”后，SATWE按抗规5.2.5自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和，用以调整该楼层地震剪力，以满足剪重比要求。2）人工调整：如果还需人工干预，可按下列三种情况进行调整：a）当地震剪力偏小而层间侧移角又偏大时，说明结构过柔，宜适当加大墙、柱截面，提高刚度；b）当地震剪力偏大而层间侧移角又偏小时，说明结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，降低刚度以取得合适的经济技术指标；c）当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时，可在SATWE的“调整信息”中的“全楼地震作用放大系数”中输入大于1的系数增大地震作用，以满足剪重比要求。3、刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2，高规4.4.2；对于形成的薄弱层则按高规5.1.14予以加强。刚度比不满足时的调整方法：1）程序调整：如果某楼层刚度比的计算结果不满足要求，SATWE自动将该楼层定义为薄弱层，并按高规5.1.14将该楼层地震剪力放大1.15倍。2）人工调整：如果还需人工干预，可适当降低本层层高和加强本层墙、柱或梁的刚度，适当提高上部相关楼层的层高和削弱上部相关楼层墙、柱或梁的刚度。4、位移比：主要为控制结构平面规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。见抗规3.4.2，高规4.3.5。位移比不满足时的调整方法：1）程序调整：SATWE程序不能实现。2）人工调整：只能通过人工调整改变结构平面布置，减小结构刚心与形心的偏心距；可利用程序的节点搜索功能在SATWE的“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中快速找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度；也可找出位移最小的节点削弱其刚度；直到位移比满足要求。5、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，见高规4.3.5。周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，结构扭转效应过大。周期比不满足时的调整方法：1）程序调整：SATWE程序不能实现。2）人工调整：只能通过人工调整改变结构布置，提高结构的扭转刚度；总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱的刚度。6、刚重比：主要为控制结构的稳定性，避免结构在风载或地震力的作用下整体失稳，见高规5.4.1和5.4.4。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。刚重比不满足时的调整方法：1）程序调整：SATWE程序不能实现。2）人工调整：只能通过人工调整改变结构布置，加强墙、柱等竖向构件的刚度。7、层间受剪承载力比：控制竖向不规则性，以免竖向楼层受剪承载力突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2，高规4.4.3；对于形成的薄弱层应按高规5.1.14予以加强。层间受剪承载力比不满足时的调整方法：1）程序调整：在SATWE的“调整信息”中的“指定薄弱层个数”中填入该楼层层号，将该楼层强制定义为薄弱层，SATWE按高规5.1.14将该楼层地震剪力放大1.15倍。2）人工调整：如果还需人工干预，可适当提高本层构件强度（如增大配筋、提高混凝土强度或加大截面）以提高本层墙、柱等抗侧力构件的承载力，或适当降低上部相关楼层墙、柱等抗侧力构件的承载力。如果结构竖向较规则，第一次试算时可只建一个结构标准层，待结构的周期比、位移比、剪重比、刚度比等满足之后再添加其它标准层；这样可以减少建模过程中的重复修改，加快建模速度。