高層建筑結構扭轉反應控制研究

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摘要：對于高層建筑來說，扭轉反應是一種比較多發的震害誘因，所以，在設計建筑結構的過程中，需要重點對扭轉反應進行控制，通過對建筑結構的科學調整，實現控制結構扭轉效應，提升建筑的穩定性。本文主要以建筑結構發生扭轉反應的原因為研究基點，從抗側剛度、框架結構、周期比、位移比、抗震墻等幾個方面研究控制扭轉反應的主要途徑，并且對單塔樓和多塔樓中扭轉反應控制問題展開了探討。

關鍵詞：高層建筑結構扭轉反應控制

在當前常見的建筑震害中，扭轉反應是最主要的誘因，近年來，我國相關領域也一直在研究對扭轉反應進行有效控制的方法，在《高規》中，也存在控制扭轉反應的相關規定。在實際工程中，很多控制途徑都起到了非常良好的控制作用，在很大程度上降低了結構的扭轉效應。

1建筑結構扭轉的原因

高層建筑結構之所以會發生扭轉反應，其原因包括內因與外因兩部分：內因主要指的是高層建筑自身存在結構設計問題，一般情況下，建筑結構在設計過程中，需要確保剛心與質心都控制在軸線左右，盡可能不離軸線太遠，與此同時，還需要設計抗震墻，并降低建筑地面的扭轉承重，從而避免扭轉反應的發生。但一些建筑在設計過程中，可能會出現剛心與質心的偏離，對偏心后果考慮的不夠充分，這便會導致高層建筑出現扭轉效應［1］。外因主要指的是外力干擾，抗震性是對建筑質量進行衡量的一個主要指標，如果建筑的抗震性較低，一旦發生地震，整棟建筑的震動會非常大，建筑在震動過程中所產生的動能也無法快速傳遞到地面中。另外，發生地震時不僅對導致建筑物震動，還會造成整個樓體的扭轉，如果建筑沒有較強的抗側剛度，就很容易會發生樓體斷裂或坍塌，因此，地震是造成建筑產生扭轉反應的主要外因。

2扭轉控制的途徑

根據《高規》，控制建筑扭轉反應的途徑包括以下幾種。

2．1改變建筑結構的抗側剛度

在準確控制建筑結構剛心與質心的前提下，調整抗側與抗扭兩種剛度之間的比例，調整抗側剛度能夠改變抗扭剛度，進而提升建筑結構的整體抗扭性能。普遍上講，對建筑結構抗扭剛度的調整，主要依托于位移角，如果建筑的位移角合格，但抗側剛度沒有滿足要求，那么就需要提升抗側剛度；如果建筑的抗側剛度合格，但位移角沒有滿足要求，那么就需要降低抗側剛度，保證兩者之間處于平衡狀態［2］。

2．2運用框架結構來提升剛度

在很多建筑的結構設計中，會有一些結構相對比較狹長，針對這種結構，可以通過脫開結構伸縮縫的方式來控制扭轉反應。如果條件不允許，還可以運用提升端部開間抗側剛度的方式，來降低扭轉反應的發生率，如擴大邊框架結構、提高框架梁高度等。另外，還可以通過增加框架跨數提升整個建筑結構的線剛度，以提升建筑的抗扭剛度。

2．3控制周期比

所謂周期比，主要指的是建筑結構中，兩種振型周期之比，對該參數進行控制的方式有兩種：其一，非耦連周期比，其主要適用于結構布置均勻的高層建筑，該參數會影響到建筑的質量與剛度，建筑抗扭與抗側兩種剛度，也可以通過該參數表現出來，周期比的數值與建筑抗扭強度呈現出負相關關系，也就是說，前者較小，后者較大；前者較大，后者較小［3］。所以，對周期比進行控制，就能夠控制建筑的扭轉反應。其二，耦連周期比，其主要適用于結構布置不均勻的高層建筑，這類建筑的剛心與質心不在一條中心軸上，雖然其也能夠將建筑的抗側剛度反映出來，但周期比無法計算，因此，想要對這類建筑的扭轉反應進行控制，就需要控制其耦連周期。

2．4控制位移比

所謂位移比，反映的是整體建筑中，每一層的扭轉程度，主要指的是建筑結構中，位移和層間位移之比。如果一個高層建筑中，同一樓層兩端的相關參數不一致，在發生地震的過程中，就很容易產生扭轉反應，因此，對位移比進行控制，也是降低扭轉反應發生率的一個主要途徑。在實際工程中，如果建筑的結構相對規整，而且沒有出現偏心現象，位移比沒有問題，但周期比不滿足要求，那么就說明建筑的結構布置不合理，可能是剛度分布問題，也可能是抗扭剛度問題，需要重新對建筑結構進行調整；如果建筑的位移比和周期比都沒有問題，但結構不規整，而且存在偏心現象，那么就說明建筑已經存在扭轉反應，需要通過對位移比的調整來提升建筑的抗扭剛度。對于一般的高層建筑來說，地層的位移比需要控制在15～18之間，上層的位移比需要控制14～15之間。

2．5合理布置抗震墻

抗震墻的布置需要以建筑的施工方案為基礎，在不影響整體施工效果的基礎上，可以在建筑外體加設鋼筋水泥墻，以提升建筑對地震的抵抗能力，抗震墻的設置能夠有效增強建筑的抗側力，對降低扭轉反應上的作用也不容小覷。在布置抗震墻的過程中，要確保其連續性與均勻性，建筑層數越高，抗震墻的剛度也需要隨之降低，只有這樣，才能夠有效控制高層建筑的扭轉反應，提升建筑的穩定性。另外，在布置抗震墻的過程中，還需要設置洞口，但要在洞口中設置相應的連梁，以保證抗震墻的整體性，不削弱其抗扭剛度。

3單塔樓與雙塔樓中的扭轉反應控制分析

3．1單塔樓的扭轉反應控制分析

根據規程要求，在進行單塔樓結構的扭轉反應控制時，需要嚴格進行周期比和位移比的控制。而如果無法對這兩項內容進行有效控制，還需要證明該建筑結構抗扭剛度較低，并且采取相應的措施進行結構調整。所以，在設計單塔樓結構時，需要做好周期比和位移比的控制。一方面，如果建筑質量分布均勻，并且建筑結構也比較均勻，但是又未達到周期比和位移比要求，還要適當增加單塔樓的抗扭剛度和抗側剛度，以便將周期比和位移比控制在規定范圍內。另一方面，針對質量分布和結構都不均勻的建筑，需要在控制周期比的同時進行偏心率的提升，從而使位移比的要求得到滿足。在設計的過程中，也需要同時進行周期比和位移比的減小，從而使建筑設計滿足規定要求。就目前來看，可以通過調整建筑質量分布和結構剛度進行建筑周期比和位移比的縮小，但是采取該種方法需要計算結構的偏心率。因此，在調整建筑結構的周期比和位移比時，還要通過控制基本振型進行偏心率的間接求取。

3．2多塔樓的扭轉反應控制分析

在相關規程中，有關多塔樓扭轉反應控制的內容目前仍然較少。所以，在設計多塔樓結構時，仍然需要根據實際情況進行建筑的扭轉反應控制。就目前來看，多塔樓上部是否得到連接，將直接影響建筑的抗扭剛度。針對上部無連接的多塔樓，由于無法將其對單塔樓結構對應起來，所以基本難以進行建筑周期比和位移比的計算，因此也往往難以進行建筑的扭轉反應控制。針對上部存在剛性連接的多塔樓，就可以將其看成是單塔樓結構。而該種結構將導致建筑形成扭轉振型效應，在計算時可以單塔樓計算方法計算周期比，以確保計算結果的準確性。

4結論

綜上所述，高層建筑工程在進行結構設計的過程中，抗扭剛度是最需要引起重視的一個參數，如果抗扭剛度較低，一旦發生地震，便會引起比較大的扭轉效應，嚴重時還可能會導致建筑坍塌。所以，運用必要的措施對扭轉反應進行控制是非常有必要的，根據《高規》中的相關要求，不僅要對偏心問題充分考慮，還需要嚴格控制周期比與位移比，并合理布置建筑物外部的抗震墻，從而降低扭轉效應。

參考文獻

［1］王世斌，肖宇．非剛性樓板對錯位轉換高層建筑結構扭轉反應影響的研究［J］．四川建筑科學研究，2011，06∶38－43．

［2］杜東升，劉偉慶，王曙光等．粘滯流體阻尼墻對平面不規則結構的扭轉效應控制研究［J］．工程力學，2012，11∶236－242＋256．

［3］扶長生，張小勇，周立浪等．長周期超高層建筑三維穩定設計及其扭轉屈曲因子［J］．建筑結構，2014，03∶1－6．

［4］中國人民共和國行業標準．高層建筑混凝士結構技術規程（JGJ3－2010）．中國建筑工業出版社，2011．

作者：朱海燕 單位：廣東省環境保護工程研究設計院