摘要：本文結合工程實例，論述了高層建筑結構設計扭轉效應的具體控制方法，在現有結構平面的條件下，即在不改變結構體系及平面開頭的前提下，通過以上幾種方法，可以使結構的抗扭剛度得到明顯增強，使結構的剛度中心和質量中心盡可能重合，減小結構在地震作用下的扭轉效應。

　　關鍵詞：扭轉效應；扭轉效應控制；結構設計；高層建筑

　　Abstract: Combining with engineering examples, the article designing high-rise torsion effect of the specific control methods, the existing structure plane conditions, that is not changing the structure system and the plane begins, under the premise of through the above several method, can wrest resistant structure stiffness obviously enhance structure stiffness center and quality center as coincidence, reduce structure in under the action of earthquake torsion effect.

　　Key Words: torsion effect; torsion effect control; structure design; high-rise building

　　中圖分類號：TU973         文獻標識碼：A       文章編號：

　　一、引起結構扭轉效應的因素

　　1外因：地震波扭轉分量

　　實際地震波存在6 個分量, 即除X、Y、Z 三個水平分量外, 還有繞X、Y、Z 軸的三個扭轉分量, 其中繞Z軸的扭轉分量直接對結構產生扭矩。由于迄今為止尚無法準測測定地震波的扭轉分量, 因此目前的結構抗震設計理論一般都是僅考慮X、Y 向水平地震作用,對于大跨度或者大懸臂結構還需考慮Z 向豎向地震作用, 而未考慮實際存在的地震波扭轉分量的作用, 這必然對結構安全造成一定的隱患, 部分學者甚至認為地震波扭轉分量的作用是造成結構破壞最重要的因素。

　　2 內因：質心與剛心不重合產生的偏心距

　　剛心是指在假設樓板為剛性的前提下，對于單層建筑結構，水平力通過某點不產生扭轉效應，此點就稱為剛心；而多層建筑結構的剛心一般為水平荷載和剛度分布的函數，即具有不確定性。當結構進入非彈性階段，結構各部分構件的剛度是變化的，也就是說剛度中心也是變化的。

　　地震作用時，地震力可簡化為集中在質心處的集中力F，當結構質心與剛心重合時，地震力F 正好通過剛心，這時將不產生扭矩；而當它們不重合時，就存在偏心距e，這時在水平地震作用下不僅產生地震力F 和扭矩T=F·e，顯然扭矩T 隨偏心距增大而增大，扭轉效應越明顯。

　　二、結構扭轉變形分析

　　2.1結構扭轉機理

　　根據材料力學可知，當一個構件受到扭矩作用時，離構件剛度中心越遠的地方剪應力越大，剪切變形也越大。在整體建筑結構中，當結構受到扭矩作用時，豎向構件將承受剪力。如圖1所示的一均勻對稱的結構，質心和剛心重合于O點，當結構受到一扭矩T，那么將在各柱中產生F1和F2的剪力。其中離剛心遠的柱受的剪力F1要大于離剛心近的柱受的剪力F2。也就是說當結構受到扭矩作用時，離剛心越遠的豎向構件將承受越大的剪力。根據結構理論可知，構件的剪切破壞是脆性的；一旦由于扭轉作用而使得地震作用產生的水平剪力大于豎向墻柱構件所能承擔的剪力，這將導致結構豎向墻柱構件發生脆性剪切破壞，結構將可能在瞬間發生脆性破壞而倒塌。

　　圖1 結構扭轉受力示意圖

　　2.2結構扭轉變形分析

　　假定樓板為平面內無限剛，當結構發生平動和扭轉時，將發生圖2所示的變形。那么δavg=(δmax-δmin)/2 （1）

　　式中，δmax為按剛性樓蓋假定，同一側樓層角點豎向構件最大水平位移或最大層間位移； δmin為按剛性樓蓋假定，同一側樓層角點豎向構件最小水平位移或最小層間位移； δavg為按剛性樓蓋假定，該樓層平均水平位移或平均層間位移； 令位移比ζ=δmax/δavg，將其代入（1）式，可得， δmax/δmin=ζ/(2-ζ) （2）

　　圖2結構扭轉變形示意圖

　　三、扭轉效應的控制措施

　　1 扭轉不規則在平面不規則類別是排前位。歷次大震震害表明，平面不規則、質量與剛度偏心和扭轉剛度太弱的結構，在地震中受到嚴重的破壞。一些振動臺模型試驗結果也表明，扭轉效應會導致結構的嚴重破壞。在實際工程中，由于建筑造型的要求、建筑場地的限制或建筑功能的需要，在高層建筑結構設計中，大多數結構的平面布置和豎向布置很難達到規范所要求的“規則”標準。此時，結構設計人員必須對抗側力結構布置進行優化調整，限制結構的平面扭轉效應，使其滿足有關規范的要求。

　　2 在建筑物外圍盡可能布置抗側力結構

　　某高層建筑，結構體系為框架剪力墻，抗震設防烈度為6度，IV類場地土，丙類建筑，地上26 層，地下1 層，總高度96m，框架、剪力墻抗震等級均為三級，采用ASTWE 程序進行設計計算。

　　從力學基本概念可知，構件離質心越遠，其抗扭剛度就越大，所以，在建筑物外圍盡可能布置抗側力結構，這樣，在不增加抗側力構件數量的基礎上，可以顯著加大結構的抗扭剛度。在實例中，結構布置基本均勻、對稱、位移比、周期比的計算結果從略。如果將兩端軸附近的剪力墻全部改為框架結構，則兩端剪力墻改為框架后，抗扭剛度大大減弱，位移比增大。整個結構扭轉、平動周期均增大。由于兩邊剪力墻同時刪去，結構仍基本均勻，對稱，故周期比基本不變。

　　除了在建筑物外圍布置抗側力結構外，也可以采用削弱核芯筒風度的辦法來調整結構的周期比。在核心部位剪力墻中間開結構洞，使結構剛度達到均勻、分散的目的。盡可能在原剪力墻中間部位開洞，不要靠近兩端，以避免出現短肢剪力墻，更不允許出現異形柱。

　　值得一提的是。為了有效控制結構的位移比，周期比，對于多塔樓結構，各個塔樓應分別計算其位移比，周期比，以保證設計安全，然后再進行整體計算分析。

　　3 抗側力結構布置必須均勻、對稱

　　在高層建筑設計中，布置抗側力構件時，必須遵循均勻、分散、對稱的原則，盡可能使結構的質量中心與剛度中心接近。當位移比不能滿足《高規》要求時，往往是結構的抗側力構件布置不均勻引起的。例如靠近一邊布置剪力墻或剪力墻布置不均勻等。

　　4 盡可能加大現有周邊抗側力結構的剛度

　　為了加大結構的抗扭剛度，除了可在最大位移處布置抗側力結構外，還可以采用的加大原有抗側力結構剛度的方法有：

　　4.1 將建筑物外角原單向剪力墻布置成；形剪力墻，且盡可能延長，外立面轉角盡可能避免開窗，更不要開轉角窗。

　　4.2 加厚離質心較遠處剪力墻的厚度。

　　4.3 加大周邊剪力墻連梁的高度，一般連梁的高度取樓板距下層門窗頂的高度。為了增加剪力墻抗扭剛度，可以將樓面以上至窗下邊的高度部分也變成連梁，即除窗洞外，其余部分均為連梁。

　　5 裙房部分防止上下層剛度偏心

　　在高層建筑設計中，通常存在以下情況：當主樓滿足《高規》第4、3、5 條的有關控制結構扭轉效應的要求時，裙房部分卻不能滿足。這主要是由于結構上下剛度偏心較大，裙房相對于主樓偏心布置。裙房平面不規則或過于狹長，裙房的剛度相對于主樓來說太弱，剛度中心與質量中心相差太遠，最遠處節點位移偏大等原因引起的。

　　解決以上問題的方法有兩種：一是增加裙房部分的剛度，在位移最大節瞇處相應的最大位移方向布置剪力墻，以減小裙房的最大位移，使裙房的質量中心與剛度中心盡可能重合。二是當樓、裙房都有地下室時，將主樓與裙房在地下室頂板以上用伸縮縫分開；當主樓有地下室，裙房無地下室時，如建筑專業允許，可以用沉降縫將主樓與裙房分開，使主樓與裙房分別形成獨立的結構體系，經過這樣處理，能解決裙房部分由于上下層剛度偏心引起的較大扭轉效應。

　　6 高層建筑防止結構平面過于狹長

　　現在，十多層左右的小高層住宅較多，建筑專業為了滿足使用要求，往往套用多層磚混結構住宅的戶型，大多數小高層住宅的平面布置過于狹長，其長度比接近或超過《高規》第4、3、3 條的要求，有的長度超過了《混凝土結構設計規范》）GB50010- 2002）規定的鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大間距要求。一般來說，平面狹長結構的抗扭剛度是比較弱的，很難滿足《高規》的要求。可以通過以下兩個方法解決。

　　6.1 小高層結構體系采用框架結構，首先盡可能將過于狹長的結構用伸縮縫脫開。如果建筑專業不允許，可通過加大端部開間的抗側剛度達到限制結構扭轉效應的目的，具體可將邊框架的角魔王斷面增大，加大框架梁的高度，如條件允許，中間增加框架柱，即增加框架的跨

　　數。這些方法可以增加梁的線剛度，也可顯著增加結構的抗扭剛度。

　　6.2 小高層結構體系采用框架---剪力墻結構，由于房屋高度不高，剪力墻一般僅布置在樓梯間或電梯間，這些抗側力結構往往過于集中或設置不對稱，結構的扭轉效應很大。在這種情況下，必須削弱中間部分剪力墻的剛度，在外側加剪力墻。但此時結構的抗側剛度太大，沒有必要。因此能采用框架體系時，盡量不采用框架---剪力墻體系，因為在地震烈度不大的地區采用框架結構反而能滿足《高規》控制抗扭效應的要求。

　　四、結束語

　　對于高層建筑結構，層數多、重心高，設計時不僅要力求結構布置平面、沿豎向規則，注意質量和剛度的對稱、重合，但由于偶然偏心以及地震動時轉動分量的存在，即便是對稱結構，在地面運動轉動分量的作用下也會發生扭轉振動，因此，結構的抗側力構件盡量沿房屋周邊布置，以便能夠提供足夠大的抗扭轉力偶，同時，也可為抵抗傾覆力矩提供更大的抗力偶。