摘要：結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在高層建筑設(shè)計中會通過七大比值來判斷結(jié)構(gòu)是否合理，本文主要通過“位移比”和“周期比”兩個比值并結(jié)合相對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)公式展開關(guān)于抗扭設(shè)計的論述，且介紹高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中控制扭轉(zhuǎn)的一些具體措施。

　　關(guān)鍵詞：位移比 周期比 相對扭轉(zhuǎn)效應(yīng) 抗扭措施

　　1 位移比、周期比的概念

　　位移比、周期比都是限制扭轉(zhuǎn)，但概念不同。位移比是控制結(jié)構(gòu)整體抗扭特性和平面規(guī)則性的重要指標。主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以免形成扭轉(zhuǎn)，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。側(cè)重結(jié)構(gòu)實際存在的扭轉(zhuǎn)量值。

　　控制周期比的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。控制結(jié)構(gòu)周期比的實質(zhì)是控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形要小于結(jié)構(gòu)的平動變形。周期比不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實，而是要求結(jié)構(gòu)剛度布局合理，以此控制地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)不成為主振動效應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞。扭轉(zhuǎn)周期過大，說明該結(jié)構(gòu)的抗扭能力弱(結(jié)構(gòu)可能完全對稱，不一定扭轉(zhuǎn)，但抗側(cè)剛度集中在平面中部的框架—核心筒等結(jié)構(gòu)，但周期比可能會比較大)這也說明兩個概念的差別。側(cè)重結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

　　2 位移比、周期比控制的標準及解說

　　文獻[5]給出了一個相對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)式 ( 為結(jié)構(gòu)相對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)， 為結(jié)構(gòu)相對偏心距， 為周期比)，若周期比 Tt/T1小于 0.5，則相對扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)θr/u一般較小，即使結(jié)構(gòu)的剛度偏心很大，偏心距e達到 0.7r，其相對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)θr/u值亦僅為0.2 。而當周期比Tt/T1大于 0.85 以后，相對扭振效應(yīng)θr/u值急劇增加。即使剛度偏心很小，偏心距e僅為 0.1r ，當周期比 Tt/T1等于 0.85 時，相對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)θr/u值可達0.25 ;當周期比Tt/T1接近 1 時，相對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)θr/u值可達 0.5 。由此可見，抗震設(shè)計中應(yīng)采取措施減小周期比Tt/T1值。文獻[5]中還繪制出θr/u與e/r及Tt/T1的關(guān)系曲線，從圖中可以看出結(jié)構(gòu)相對扭轉(zhuǎn)反應(yīng)隨著周期比的增大存在明顯的動力增大效應(yīng)。為此，《抗規(guī)》和《高規(guī)》都做如下規(guī)定：結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復雜高層建筑不應(yīng)大于0.85。

　　高規(guī)(4.3.5)條規(guī)定的位移比是指在考慮偶然偏心影響的水平地震作用下，結(jié)構(gòu)每個樓層的最大位移和最大層間位移，與該層平均位移和平均層間位移的比值。A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍;B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。高規(guī)的這一規(guī)定給出了扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的定量劃分標準，使高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置設(shè)計有了計算方法和標準，不再停留在宏觀的概念上。除了客觀存在的偏心距之外，規(guī)范還提到考慮偶然偏心影響的地震作用。此條規(guī)定主要考慮到結(jié)構(gòu)的地震動力反應(yīng)過程中可能由于地面的扭轉(zhuǎn)運動、結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量分布相對于計算假定值的偏差以及在非彈性反應(yīng)過程中各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度退化程度不同等原因引起的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)增大。

　　3 位移比、周期比調(diào)整的原則

　　位移比和周期比反映出來的是結(jié)構(gòu)的平面布置是否合理。對于平面布置比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)，一般位移比和周期比較容易滿足規(guī)范要求。但出現(xiàn)位移比或是周期比不滿足的情況，這個時候應(yīng)該調(diào)整的是增大結(jié)構(gòu)抗扭剛度與抗側(cè)剛度的比例;對于平面布置不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，不能僅僅是單獨加強抗側(cè)剛度和抗扭剛度其中之一。因為當調(diào)整到周期比足夠小的時候，即使結(jié)構(gòu)的偏心率比較大，其位移比往往也能滿足規(guī)范要求。這個時候雖然單從計算結(jié)果來看滿足規(guī)范要求，但從結(jié)構(gòu)概念來看，這樣的結(jié)構(gòu)是不合理、不經(jīng)濟的。所以應(yīng)該從結(jié)構(gòu)整體布置的合理性出發(fā)，多方面進行調(diào)整。從文獻[5]相對扭轉(zhuǎn)效應(yīng)式 中可以看出，如果同時考慮調(diào)整偏心率和周期比更容易達到比較理想的結(jié)果。

　　4 抗扭設(shè)計的一些措施

　　(1)抗側(cè)力構(gòu)件布置盡量均勻、對稱

　　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(jié)構(gòu)設(shè)計中，大多數(shù)結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置很難達到規(guī)范所要求的“規(guī)則”標準。此時，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員進行結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)該從結(jié)構(gòu)概念出發(fā)，從整體上把握好結(jié)構(gòu)的布置。

　　(2)盡可能加大現(xiàn)有周邊抗側(cè)力構(gòu)件的剛度

　　為了加大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，除了可在最大位移處布置抗側(cè)力構(gòu)件外，還可以采用加大原有抗側(cè)力構(gòu)件剛度的方法，如：

　　①加厚離質(zhì)心較遠處剪力墻的厚度;

　　②在滿足建筑功能的前提下應(yīng)將建筑物轉(zhuǎn)角原單向剪力墻布置成L形剪力墻，且盡可能延長;外立面轉(zhuǎn)角盡可能避免開窗，更應(yīng)該避免開轉(zhuǎn)角窗，因開轉(zhuǎn)角窗而造成的剛度突變，對結(jié)構(gòu)抗扭很不利;

　　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?shù)母叨取�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。

　　(3)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度

　　在核心部位剪力墻中間開結(jié)構(gòu)洞，使結(jié)構(gòu)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(xiàn)短肢剪力墻，更不允許出現(xiàn)異形柱。

　　(4)防止結(jié)構(gòu)平面過于狹長

　　現(xiàn)在，十多層左右的小高層住宅較多，建筑專業(yè)為了滿足使用要求，往往套用多層磚混結(jié)構(gòu)住宅的戶型，大多數(shù)小高層住宅的平面布置過于狹長，其長寬比接近或超過《高規(guī)》第4.3.3條的要求，有的長度超過了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距要求。一般來說，平面狹長結(jié)構(gòu)的抗扭剛度是比較弱的，很難滿足《高規(guī)》的要求。可以通過以下兩個方法解決：

　　① 小高層結(jié)構(gòu)體系采用框架結(jié)構(gòu)。首先盡可能將過于狹長的結(jié)構(gòu)用伸縮縫斷開。如果建筑專業(yè)不允許，可通過加大端部開間的抗側(cè)剛度達到限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的目的。具體可將邊框架的角柱截面增大、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(shù)。這些方法可以增加梁的線剛度，也可顯著增加結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

　　② 小高層結(jié)構(gòu)體系采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。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(cè)力結(jié)構(gòu)往往過于集中或設(shè)置不對稱，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)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(cè)加剪力墻。但此時結(jié)構(gòu)的抗側(cè)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(qū)采用框架結(jié)構(gòu)反而更易滿足《高規(guī)》控制抗扭效應(yīng)的要求。

　　(5)裙房部分防止上下層剛度偏心

　　在高層建筑設(shè)計中，通常存在以下情況：當主樓滿足《高規(guī)》第4.3.5條的有關(guān)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的要求時，裙房部分卻不能滿足。這主要是由于結(jié)構(gòu)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(guī)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(zhì)量中心相差太遠、最遠處節(jié)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，在位移最大處相應(yīng)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(zhì)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(yè)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(jié)構(gòu)體系，經(jīng)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(zhuǎn)效應(yīng)。

　　5 結(jié)語

　　高層建筑扭轉(zhuǎn)效應(yīng)比較容易帶來結(jié)構(gòu)破壞，本文簡單闡述了一些理論上的概念、原則及相應(yīng)的一些措施。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)該加強自己的結(jié)構(gòu)概念，從一個項目的初步階段就把握整體結(jié)構(gòu)布置，然后再一步步細化，最終使結(jié)構(gòu)布置既滿足建筑功能也能滿足結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求。

　　參 考 文 獻

　　[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)，北京：中國建筑工業(yè)出版社,2002

　　[2]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010

　　[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002

　　[4] PKPM系列新規(guī)范設(shè)計軟件SATWE、TAT、PMSAP應(yīng)用指南，中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所，2008

　　[5]徐培福等，高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)，建筑科學，2001;(1)