高层建筑结构扭转反应控制研究

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摘要：对于高层建筑来说，扭转反应是一种比较多发的震害诱因，所以，在设计建筑结构的过程中，需要重点对扭转反应进行控制，通过对建筑结构的科学调整，实现控制结构扭转效应，提升建筑的稳定性。本文主要以建筑结构发生扭转反应的原因为研究基点，从抗侧刚度、框架结构、周期比、位移比、抗震墙等几个方面研究控制扭转反应的主要途径，并且对单塔楼和多塔楼中扭转反应控制问题展开了探讨。

关键词：高层建筑结构扭转反应控制

在当前常见的建筑震害中，扭转反应是最主要的诱因，近年来，我国相关领域也一直在研究对扭转反应进行有效控制的方法，在《高规》中，也存在控制扭转反应的相关规定。在实际工程中，很多控制途径都起到了非常良好的控制作用，在很大程度上降低了结构的扭转效应。

1建筑结构扭转的原因

高层建筑结构之所以会发生扭转反应，其原因包括内因与外因两部分：内因主要指的是高层建筑自身存在结构设计问题，一般情况下，建筑结构在设计过程中，需要确保刚心与质心都控制在轴线左右，尽可能不离轴线太远，与此同时，还需要设计抗震墙，并降低建筑地面的扭转承重，从而避免扭转反应的发生。但一些建筑在设计过程中，可能会出现刚心与质心的偏离，对偏心后果考虑的不够充分，这便会导致高层建筑出现扭转效应［1］。外因主要指的是外力干扰，抗震性是对建筑质量进行衡量的一个主要指标，如果建筑的抗震性较低，一旦发生地震，整栋建筑的震动会非常大，建筑在震动过程中所产生的动能也无法快速传递到地面中。另外，发生地震时不仅对导致建筑物震动，还会造成整个楼体的扭转，如果建筑没有较强的抗侧刚度，就很容易会发生楼体断裂或坍塌，因此，地震是造成建筑产生扭转反应的主要外因。

2扭转控制的途径

根据《高规》，控制建筑扭转反应的途径包括以下几种。

2．1改变建筑结构的抗侧刚度

在准确控制建筑结构刚心与质心的前提下，调整抗侧与抗扭两种刚度之间的比例，调整抗侧刚度能够改变抗扭刚度，进而提升建筑结构的整体抗扭性能。普遍上讲，对建筑结构抗扭刚度的调整，主要依托于位移角，如果建筑的位移角合格，但抗侧刚度没有满足要求，那么就需要提升抗侧刚度；如果建筑的抗侧刚度合格，但位移角没有满足要求，那么就需要降低抗侧刚度，保证两者之间处于平衡状态［2］。

2．2运用框架结构来提升刚度

在很多建筑的结构设计中，会有一些结构相对比较狭长，针对这种结构，可以通过脱开结构伸缩缝的方式来控制扭转反应。如果条件不允许，还可以运用提升端部开间抗侧刚度的方式，来降低扭转反应的发生率，如扩大边框架结构、提高框架梁高度等。另外，还可以通过增加框架跨数提升整个建筑结构的线刚度，以提升建筑的抗扭刚度。

2．3控制周期比

所谓周期比，主要指的是建筑结构中，两种振型周期之比，对该参数进行控制的方式有两种：其一，非耦连周期比，其主要适用于结构布置均匀的高层建筑，该参数会影响到建筑的质量与刚度，建筑抗扭与抗侧两种刚度，也可以通过该参数表现出来，周期比的数值与建筑抗扭强度呈现出负相关关系，也就是说，前者较小，后者较大；前者较大，后者较小［3］。所以，对周期比进行控制，就能够控制建筑的扭转反应。其二，耦连周期比，其主要适用于结构布置不均匀的高层建筑，这类建筑的刚心与质心不在一条中心轴上，虽然其也能够将建筑的抗侧刚度反映出来，但周期比无法计算，因此，想要对这类建筑的扭转反应进行控制，就需要控制其耦连周期。

2．4控制位移比

所谓位移比，反映的是整体建筑中，每一层的扭转程度，主要指的是建筑结构中，位移和层间位移之比。如果一个高层建筑中，同一楼层两端的相关参数不一致，在发生地震的过程中，就很容易产生扭转反应，因此，对位移比进行控制，也是降低扭转反应发生率的一个主要途径。在实际工程中，如果建筑的结构相对规整，而且没有出现偏心现象，位移比没有问题，但周期比不满足要求，那么就说明建筑的结构布置不合理，可能是刚度分布问题，也可能是抗扭刚度问题，需要重新对建筑结构进行调整；如果建筑的位移比和周期比都没有问题，但结构不规整，而且存在偏心现象，那么就说明建筑已经存在扭转反应，需要通过对位移比的调整来提升建筑的抗扭刚度。对于一般的高层建筑来说，地层的位移比需要控制在15～18之间，上层的位移比需要控制14～15之间。

2．5合理布置抗震墙

抗震墙的布置需要以建筑的施工方案为基础，在不影响整体施工效果的基础上，可以在建筑外体加设钢筋水泥墙，以提升建筑对地震的抵抗能力，抗震墙的设置能够有效增强建筑的抗侧力，对降低扭转反应上的作用也不容小觑。在布置抗震墙的过程中，要确保其连续性与均匀性，建筑层数越高，抗震墙的刚度也需要随之降低，只有这样，才能够有效控制高层建筑的扭转反应，提升建筑的稳定性。另外，在布置抗震墙的过程中，还需要设置洞口，但要在洞口中设置相应的连梁，以保证抗震墙的整体性，不削弱其抗扭刚度。

3单塔楼与双塔楼中的扭转反应控制分析

3．1单塔楼的扭转反应控制分析

根据规程要求，在进行单塔楼结构的扭转反应控制时，需要严格进行周期比和位移比的控制。而如果无法对这两项内容进行有效控制，还需要证明该建筑结构抗扭刚度较低，并且采取相应的措施进行结构调整。所以，在设计单塔楼结构时，需要做好周期比和位移比的控制。一方面，如果建筑质量分布均匀，并且建筑结构也比较均匀，但是又未达到周期比和位移比要求，还要适当增加单塔楼的抗扭刚度和抗侧刚度，以便将周期比和位移比控制在规定范围内。另一方面，针对质量分布和结构都不均匀的建筑，需要在控制周期比的同时进行偏心率的提升，从而使位移比的要求得到满足。在设计的过程中，也需要同时进行周期比和位移比的减小，从而使建筑设计满足规定要求。就目前来看，可以通过调整建筑质量分布和结构刚度进行建筑周期比和位移比的缩小，但是采取该种方法需要计算结构的偏心率。因此，在调整建筑结构的周期比和位移比时，还要通过控制基本振型进行偏心率的间接求取。

3．2多塔楼的扭转反应控制分析

在相关规程中，有关多塔楼扭转反应控制的内容目前仍然较少。所以，在设计多塔楼结构时，仍然需要根据实际情况进行建筑的扭转反应控制。就目前来看，多塔楼上部是否得到连接，将直接影响建筑的抗扭刚度。针对上部无连接的多塔楼，由于无法将其对单塔楼结构对应起来，所以基本难以进行建筑周期比和位移比的计算，因此也往往难以进行建筑的扭转反应控制。针对上部存在刚性连接的多塔楼，就可以将其看成是单塔楼结构。而该种结构将导致建筑形成扭转振型效应，在计算时可以单塔楼计算方法计算周期比，以确保计算结果的准确性。

4结论

综上所述，高层建筑工程在进行结构设计的过程中，抗扭刚度是最需要引起重视的一个参数，如果抗扭刚度较低，一旦发生地震，便会引起比较大的扭转效应，严重时还可能会导致建筑坍塌。所以，运用必要的措施对扭转反应进行控制是非常有必要的，根据《高规》中的相关要求，不仅要对偏心问题充分考虑，还需要严格控制周期比与位移比，并合理布置建筑物外部的抗震墙，从而降低扭转效应。

参考文献

［1］王世斌，肖宇．非刚性楼板对错位转换高层建筑结构扭转反应影响的研究［J］．四川建筑科学研究，2011，06∶38－43．

［2］杜东升，刘伟庆，王曙光等．粘滞流体阻尼墙对平面不规则结构的扭转效应控制研究［J］．工程力学，2012，11∶236－242＋256．

［3］扶长生，张小勇，周立浪等．长周期超高层建筑三维稳定设计及其扭转屈曲因子［J］．建筑结构，2014，03∶1－6．

［4］中国人民共和国行业标准．高层建筑混凝士结构技术规程（JGJ3－2010）．中国建筑工业出版社，2011．

作者：朱海燕 单位：广东省环境保护工程研究设计院