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【摘要】本文以高层建筑结构设计中扭转效应的概述为基础，着重分析了高层建筑结构设计中扭转控制存在的问题，以实际为出发点对高层建筑结构设计中扭转效应的控制措施进行了探讨。
【关键词】结构设计，扭转效应，控制方法
中图分类号：TU2文献标识码： A
一、前言
随着技术水平的不断提高，社会经济的快速发展，人们对高层建筑结构设计的要求也越来越高。现如今高层建筑结构设计中还存在很多问题，急需解决，因此，我们要加强先进设计理论与先进技术的学习与应用，不断进行高层建筑结构设计中扭转效应的控制方法的研发和探讨，使高层建筑结构设计更加适用、安全、可靠与经济。
二、高层建筑结构设计中扭转效应的概述
扭转不规则在平面不规则类别中占第一位。国内外历次大震震害表明,平面不规则、质量与刚度偏心和扭转刚度太弱的结构,在地震中受到严重的破坏。国内一些振动台模型试验结果也表明,扭转效应会导致结构的严重破坏。在实际工程中,由于建筑造型的要求、建筑场地的限制或建筑功能的需要,在高层建筑结构设计中,大多数结构的平面布置和竖向布置很难达到规范所要求的“规则”标准。此时,结构设计人员必须对抗侧力结构布置进行优化调整,限制结构的平面扭转效应,使其满足有关规范的要求。
三、高层建筑结构设计中扭转控制存在的问题
位移比计算时应注意，需要对楼面变形采用刚性楼板假定；最大值Umax和平均值U的计算，取楼层平面内两端边的竖向构件变形进行计算，不考虑楼板悬挑部分；偶然偏心和双向地震作用可不同时考虑，但应取两者的不利情况。位移比设计计算中，有时会遇到楼层位移比大于1.2，甚至大于 《高规》 限值1.4或1.5的情况。下图给出了位移比沿高度分布和超限的三种示意。a类结构仅在建筑物底部几层位移比超限，因结构底部平动位移很小，或者在带剪力墙的结构中 （剪力墙、框剪、框筒等），在靠近嵌固端的位置，平动位移较扭转位移更快地趋于零，导致出现位移比超限。此时，如小震作用下计算的最大层间位移Umax，不超过规范规定的层间位移限值的1/3，构件承載力满足中震不屈服的要求，则建议可以适当放松位移比的限值，但不应超过1.8；图中b类结构，大部分或者绝大部分楼层的位移比超过限值；c类结构，建筑物上部和底部的几个楼层的位移比超过限值。这两类结构的抗扭性能较差，特别是建筑物上部楼层的位移比超限，说明该结构不仅整体刚度偏心较大、抗扭刚度较弱，而且在建筑物上部楼层存在刚度偏心和抗扭刚度的突变，结构扭转反应剧烈。对这两类结构，楼层位移比应控制在限值之内 （底部几层除外），而且宜尽量减小上部楼层的位移比。
四、高层建筑结构设计中扭转效应的控制措施
1、 在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构
某高层建筑，结构体系为框架剪力墙，抗震设防烈度为6 度，IV类场地土，丙类建筑，地上26 层，地下 1 层，总高度 96M，框架剪力墙抗震等级均为三级，采用SATWE程序进行设计计算从力学基本概念可知，构件离质心越远，其抗扭刚度就越大，因此，建筑的外围需要多设置抗侧力的结构，以便在不添加抗侧力构件的前提下，大大的增加结构的刚度。如果将两端轴附近的剪力墙全部改为框架结构，则两端剪力墙改为框架后，抗扭刚度大大减弱，位移比增大。整个结构扭转、平动周期均增大。由于两边剪力墙同时删去，结构仍基本均匀、对称，故周期比基本不变。除了在外围增加这种抗侧力结构，还可以采用削弱核芯筒刚度的办法来调整结构的周期比。把结构洞打在剪力墙核心的部位，保证结构的平均和分散的目标，要最好在原有的剪力墙的中间开洞，不能接近两端，这样保证短肢剪力墙不出现，也不能有异形柱出现。
2、抗侧力结构布置必须均匀、对称
在高层建筑设计中，布置抗侧力构件时，必须遵循均匀、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。当位移比不能满足《高规》要求时，往往是结构的抗侧力构件布置不均匀引起的。例如靠近一边布置剪力墙或剪力墙布置不均匀等。一栋房屋的安全性能主要是由建筑的布置和结构设置来决定的，只要结构设计的符合抗震的规则，布局设置的合理，就可以保证建筑的耐性，相反，建筑的布局繁复，整体结构存在不安全的地方，即便是构造的时候补救，也可能不能做到减低震害的目标。
3、加大现有抗侧力构造的刚度
结构抗扭的刚度的加大，可以在最大的位移的地方安置抗侧力的结构，更可以使用增加原有的侧力结构的实际刚度来实现，主要的方式有：将建筑物外角原单向剪力墙布置成 L 形剪力墙，且尽可能延长；外立面转角尽可能避免开窗，更不要开转角窗；加厚离质心较远处剪力墙的厚度；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。为了增加剪力墙抗扭刚度，可以将楼面以上至窗下边的高度部分也变成连梁，即除窗洞外，其余部分均为连梁。
4、裙房部分防止上下层刚度偏心
在高层建筑设计中，通常存在以下情况：当主楼满足《高规》第3.4.5条的有关控制结构扭转效应的要求时，裙房部分却不能满足这主要是由于结构上下刚度偏心较大，裙房相对于主楼偏心布置裙房平面不规则或过于狭长，裙房的刚度相对于主楼来说太弱，刚度中心与质量中心相差太远，最远处节点位移偏大等原因引起的。上面的问题主要有两种解决的办法：第一，把裙房那部分的刚度加大，在最大位移的地方安置相应的剪力墙，这样可以降低裙房的最大位移，以便裙房的质量点和刚度的中心更好的重合。第二，是当主楼、裙房都有地下室时，将主楼与裙房在地下室顶板以上用伸缩缝分开；当主楼有地下室，裙房无地下室时，假设建筑的专业可以接受，可以选用把主楼和裙房分开，使其各自形成独立的系统，这样之后，可以解决裙房刚度偏心造成了扭转效应问题。
5、高层建筑防止结构平面过于狭长
现在，十多层左右的小高层住宅较多，建筑专业为了满足使用要求，往往套用多层砖混结构住宅的户型，大多数小高层住宅的平面布置过于狭长，其长宽比接近或超过《高规》第 3.4.3 条的要求，有的长度超过了《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）规定的钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距要求。
（一）、小高层结构使用框架这样的结构体系，第一要最大限度的把太过狭长的构造脱开，如果建筑的专业不允许，是可以在大端的部分加大抗侧力刚度的方式来控制扭转效应。如条件允许，中间增加框架柱，即增加框架的跨数。这些方法可以增加梁的线刚度，也可显著增加结构的抗扭刚度。
（二）、小的高层使用框架剪力墙的结构体系，因为房屋的高度不是很高，剪力墙通常是在楼梯和电梯之间，这些抗侧力的构造通常是集中或者分布的不均匀，扭转效应大，这种状况，一定要把中间那部分剪力墙的结构削弱，把外侧加上剪力墙，此时的抗侧力刚度又过大，这样不但浪费成本也不是必要的选择。因此能采用框架体系时，尽量不采用框架剪力墙体系，因为在地震烈度不大的地区采用框架结构反而能满足《高规》控制抗扭效应的要求。上面的几种方式可以明显的增加建筑结构的抗扭刚度，从而更好的防御扭转效应，以便减低地震作用下的扭转效应，更好的保证建筑的安全和质量。
五、结束语
通过对新时期下，高层建筑结构设计中扭转效应的控制方法的分析，进一步明确了高层建筑结构设计的方向，为高层建筑结构设计中扭转效应的控制优化奠定了坚实基础，有助于高层建筑结构设计中对安全性能和经济效益的提高。
参考文献
[1]蔡健,潘东辉,黄炎生.高层建筑结构扭转振动效应控制研究[J].工程力学，2007
[2]徐培福,黄吉锋,韦承基.高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应[J].建筑科学,2000
[3]蒋俊杰,陈春雷.高层建筑结构扭转效应控制参数讨论[J].广东土木与建筑,2008
[4]徐培福,傅学怡,王翠坤等.复杂高层建筑结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社,2005
【关键词】结构设计，扭转效应，控制方法
中图分类号：TU2文献标识码： A
一、前言
随着技术水平的不断提高，社会经济的快速发展，人们对高层建筑结构设计的要求也越来越高。现如今高层建筑结构设计中还存在很多问题，急需解决，因此，我们要加强先进设计理论与先进技术的学习与应用，不断进行高层建筑结构设计中扭转效应的控制方法的研发和探讨，使高层建筑结构设计更加适用、安全、可靠与经济。
二、高层建筑结构设计中扭转效应的概述
扭转不规则在平面不规则类别中占第一位。国内外历次大震震害表明,平面不规则、质量与刚度偏心和扭转刚度太弱的结构,在地震中受到严重的破坏。国内一些振动台模型试验结果也表明,扭转效应会导致结构的严重破坏。在实际工程中,由于建筑造型的要求、建筑场地的限制或建筑功能的需要,在高层建筑结构设计中,大多数结构的平面布置和竖向布置很难达到规范所要求的“规则”标准。此时,结构设计人员必须对抗侧力结构布置进行优化调整,限制结构的平面扭转效应,使其满足有关规范的要求。
三、高层建筑结构设计中扭转控制存在的问题
位移比计算时应注意，需要对楼面变形采用刚性楼板假定；最大值Umax和平均值U的计算，取楼层平面内两端边的竖向构件变形进行计算，不考虑楼板悬挑部分；偶然偏心和双向地震作用可不同时考虑，但应取两者的不利情况。位移比设计计算中，有时会遇到楼层位移比大于1.2，甚至大于 《高规》 限值1.4或1.5的情况。下图给出了位移比沿高度分布和超限的三种示意。a类结构仅在建筑物底部几层位移比超限，因结构底部平动位移很小，或者在带剪力墙的结构中 （剪力墙、框剪、框筒等），在靠近嵌固端的位置，平动位移较扭转位移更快地趋于零，导致出现位移比超限。此时，如小震作用下计算的最大层间位移Umax，不超过规范规定的层间位移限值的1/3，构件承載力满足中震不屈服的要求，则建议可以适当放松位移比的限值，但不应超过1.8；图中b类结构，大部分或者绝大部分楼层的位移比超过限值；c类结构，建筑物上部和底部的几个楼层的位移比超过限值。这两类结构的抗扭性能较差，特别是建筑物上部楼层的位移比超限，说明该结构不仅整体刚度偏心较大、抗扭刚度较弱，而且在建筑物上部楼层存在刚度偏心和抗扭刚度的突变，结构扭转反应剧烈。对这两类结构，楼层位移比应控制在限值之内 （底部几层除外），而且宜尽量减小上部楼层的位移比。
四、高层建筑结构设计中扭转效应的控制措施
1、 在建筑物外围尽可能布置抗侧力结构
某高层建筑，结构体系为框架剪力墙，抗震设防烈度为6 度，IV类场地土，丙类建筑，地上26 层，地下 1 层，总高度 96M，框架剪力墙抗震等级均为三级，采用SATWE程序进行设计计算从力学基本概念可知，构件离质心越远，其抗扭刚度就越大，因此，建筑的外围需要多设置抗侧力的结构，以便在不添加抗侧力构件的前提下，大大的增加结构的刚度。如果将两端轴附近的剪力墙全部改为框架结构，则两端剪力墙改为框架后，抗扭刚度大大减弱，位移比增大。整个结构扭转、平动周期均增大。由于两边剪力墙同时删去，结构仍基本均匀、对称，故周期比基本不变。除了在外围增加这种抗侧力结构，还可以采用削弱核芯筒刚度的办法来调整结构的周期比。把结构洞打在剪力墙核心的部位，保证结构的平均和分散的目标，要最好在原有的剪力墙的中间开洞，不能接近两端，这样保证短肢剪力墙不出现，也不能有异形柱出现。
2、抗侧力结构布置必须均匀、对称
在高层建筑设计中，布置抗侧力构件时，必须遵循均匀、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。当位移比不能满足《高规》要求时，往往是结构的抗侧力构件布置不均匀引起的。例如靠近一边布置剪力墙或剪力墙布置不均匀等。一栋房屋的安全性能主要是由建筑的布置和结构设置来决定的，只要结构设计的符合抗震的规则，布局设置的合理，就可以保证建筑的耐性，相反，建筑的布局繁复，整体结构存在不安全的地方，即便是构造的时候补救，也可能不能做到减低震害的目标。
3、加大现有抗侧力构造的刚度
结构抗扭的刚度的加大，可以在最大的位移的地方安置抗侧力的结构，更可以使用增加原有的侧力结构的实际刚度来实现，主要的方式有：将建筑物外角原单向剪力墙布置成 L 形剪力墙，且尽可能延长；外立面转角尽可能避免开窗，更不要开转角窗；加厚离质心较远处剪力墙的厚度；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。为了增加剪力墙抗扭刚度，可以将楼面以上至窗下边的高度部分也变成连梁，即除窗洞外，其余部分均为连梁。
4、裙房部分防止上下层刚度偏心
在高层建筑设计中，通常存在以下情况：当主楼满足《高规》第3.4.5条的有关控制结构扭转效应的要求时，裙房部分却不能满足这主要是由于结构上下刚度偏心较大，裙房相对于主楼偏心布置裙房平面不规则或过于狭长，裙房的刚度相对于主楼来说太弱，刚度中心与质量中心相差太远，最远处节点位移偏大等原因引起的。上面的问题主要有两种解决的办法：第一，把裙房那部分的刚度加大，在最大位移的地方安置相应的剪力墙，这样可以降低裙房的最大位移，以便裙房的质量点和刚度的中心更好的重合。第二，是当主楼、裙房都有地下室时，将主楼与裙房在地下室顶板以上用伸缩缝分开；当主楼有地下室，裙房无地下室时，假设建筑的专业可以接受，可以选用把主楼和裙房分开，使其各自形成独立的系统，这样之后，可以解决裙房刚度偏心造成了扭转效应问题。
5、高层建筑防止结构平面过于狭长
现在，十多层左右的小高层住宅较多，建筑专业为了满足使用要求，往往套用多层砖混结构住宅的户型，大多数小高层住宅的平面布置过于狭长，其长宽比接近或超过《高规》第 3.4.3 条的要求，有的长度超过了《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）规定的钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距要求。
（一）、小高层结构使用框架这样的结构体系，第一要最大限度的把太过狭长的构造脱开，如果建筑的专业不允许，是可以在大端的部分加大抗侧力刚度的方式来控制扭转效应。如条件允许，中间增加框架柱，即增加框架的跨数。这些方法可以增加梁的线刚度，也可显著增加结构的抗扭刚度。
（二）、小的高层使用框架剪力墙的结构体系，因为房屋的高度不是很高，剪力墙通常是在楼梯和电梯之间，这些抗侧力的构造通常是集中或者分布的不均匀，扭转效应大，这种状况，一定要把中间那部分剪力墙的结构削弱，把外侧加上剪力墙，此时的抗侧力刚度又过大，这样不但浪费成本也不是必要的选择。因此能采用框架体系时，尽量不采用框架剪力墙体系，因为在地震烈度不大的地区采用框架结构反而能满足《高规》控制抗扭效应的要求。上面的几种方式可以明显的增加建筑结构的抗扭刚度，从而更好的防御扭转效应，以便减低地震作用下的扭转效应，更好的保证建筑的安全和质量。
五、结束语
通过对新时期下，高层建筑结构设计中扭转效应的控制方法的分析，进一步明确了高层建筑结构设计的方向，为高层建筑结构设计中扭转效应的控制优化奠定了坚实基础，有助于高层建筑结构设计中对安全性能和经济效益的提高。
参考文献
[1]蔡健,潘东辉,黄炎生.高层建筑结构扭转振动效应控制研究[J].工程力学，2007
[2]徐培福,黄吉锋,韦承基.高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应[J].建筑科学,2000
[3]蒋俊杰,陈春雷.高层建筑结构扭转效应控制参数讨论[J].广东土木与建筑,2008
[4]徐培福,傅学怡,王翠坤等.复杂高层建筑结构设计［M］.北京:中国建筑工业出版社,2005