高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)控制研究

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摘要：對于高層建筑來說，扭轉(zhuǎn)反應(yīng)是一種比較多發(fā)的震害誘因，所以，在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)的過程中，需要重點(diǎn)對扭轉(zhuǎn)反應(yīng)進(jìn)行控制，通過對建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)調(diào)整，實現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，提升建筑的穩(wěn)定性。本文主要以建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的原因為研究基點(diǎn)，從抗側(cè)剛度、框架結(jié)構(gòu)、周期比、位移比、抗震墻等幾個方面研究控制扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的主要途徑，并且對單塔樓和多塔樓中扭轉(zhuǎn)反應(yīng)控制問題展開了探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)控制

在當(dāng)前常見的建筑震害中，扭轉(zhuǎn)反應(yīng)是最主要的誘因，近年來，我國相關(guān)領(lǐng)域也一直在研究對扭轉(zhuǎn)反應(yīng)進(jìn)行有效控制的方法，在《高規(guī)》中，也存在控制扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的相關(guān)規(guī)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(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

1建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的原因

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

2扭轉(zhuǎn)控制的途徑

根據(jù)《高規(guī)》，控制建筑扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的途徑包括以下幾種。

2．1改變建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度

在準(zhǔn)確控制建筑結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心的前提下，調(diào)整抗側(cè)與抗扭兩種剛度之間的比例，調(diào)整抗側(cè)剛度能夠改變抗扭剛度，進(jìn)而提升建筑結(jié)構(gòu)的整體抗扭性能。普遍上講，對建筑結(jié)構(gòu)抗扭剛度的調(diào)整，主要依托于位移角，如果建筑的位移角合格，但抗側(cè)剛度沒有滿足要求，那么就需要提升抗側(cè)剛度；如果建筑的抗側(cè)剛度合格，但位移角沒有滿足要求，那么就需要降低抗側(cè)剛度，保證兩者之間處于平衡狀態(tài)［2］。

2．2運(yùn)用框架結(jié)構(gòu)來提升剛度

在很多建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，會有一些結(jié)構(gòu)相對比較狹長，針對這種結(jié)構(gòu)，可以通過脫開結(jié)構(gòu)伸縮縫的方式來控制扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。如果條件不允許，還可以運(yùn)用提升端部開間抗側(cè)剛度的方式，來降低扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的發(fā)生率，如擴(kuò)大邊框架結(jié)構(gòu)、提高框架梁高度等。另外，還可以通過增加框架跨數(shù)提升整個建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，兩種振型周期之比，對該參數(shù)進(jìn)行控制的方式有兩種：其一，非耦連周期比，其主要適用于結(jié)構(gòu)布置均勻的高層建筑，該參數(shù)會影響到建筑的質(zhì)量與剛度，建筑抗扭與抗側(cè)兩種剛度，也可以通過該參數(shù)表現(xiàn)出來，周期比的數(shù)值與建筑抗扭強(qiáng)度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)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(jìn)行控制，就能夠控制建筑的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。其二，耦連周期比，其主要適用于結(jié)構(gòu)布置不均勻的高層建筑，這類建筑的剛心與質(zhì)心不在一條中心軸上，雖然其也能夠?qū)⒔ㄖ目箓?cè)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(zhuǎn)反應(yīng)進(jìn)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(zhuǎn)程度，主要指的是建筑結(jié)構(gòu)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(guān)參數(shù)不一致，在發(fā)生地震的過程中，就很容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，因此，對位移比進(jìn)行控制，也是降低扭轉(zhuǎn)反應(yīng)發(fā)生率的一個主要途徑。在實際工程中，如果建筑的結(jié)構(gòu)相對規(guī)整，而且沒有出現(xiàn)偏心現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整；如果建筑的位移比和周期比都沒有問題，但結(jié)構(gòu)不規(guī)整，而且存在偏心現(xiàn)象，那么就說明建筑已經(jīng)存在扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，需要通過對位移比的調(diào)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(chǔ)，在不影響整體施工效果的基礎(chǔ)上，可以在建筑外體加設(shè)鋼筋水泥墻，以提升建筑對地震的抵抗能力，抗震墻的設(shè)置能夠有效增強(qiáng)建筑的抗側(cè)力，對降低扭轉(zhuǎn)反應(yīng)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(xù)性與均勻性，建筑層數(shù)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(zhuǎn)反應(yīng)，提升建筑的穩(wěn)定性。另外，在布置抗震墻的過程中，還需要設(shè)置洞口，但要在洞口中設(shè)置相應(yīng)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(zhuǎn)反應(yīng)控制分析

3．1單塔樓的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)控制分析

根據(jù)規(guī)程要求，在進(jìn)行單塔樓結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)控制時，需要嚴(yán)格進(jìn)行周期比和位移比的控制。而如果無法對這兩項內(nèi)容進(jìn)行有效控制，還需要證明該建筑結(jié)構(gòu)抗扭剛度較低，并且采取相應(yīng)的措施進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。所以，在設(shè)計單塔樓結(jié)構(gòu)時，需要做好周期比和位移比的控制。一方面，如果建筑質(zhì)量分布均勻，并且建筑結(jié)構(gòu)也比較均勻，但是又未達(dá)到周期比和位移比要求，還要適當(dāng)增加單塔樓的抗扭剛度和抗側(cè)剛度，以便將周期比和位移比控制在規(guī)定范圍內(nèi)。另一方面，針對質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)都不均勻的建筑，需要在控制周期比的同時進(jìn)行偏心率的提升，從而使位移比的要求得到滿足。在設(shè)計的過程中，也需要同時進(jìn)行周期比和位移比的減小，從而使建筑設(shè)計滿足規(guī)定要求。就目前來看，可以通過調(diào)整建筑質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)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(jié)構(gòu)的偏心率。因此，在調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的周期比和位移比時，還要通過控制基本振型進(jìn)行偏心率的間接求取。

3．2多塔樓的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)控制分析

在相關(guān)規(guī)程中，有關(guān)多塔樓扭轉(zhuǎn)反應(yīng)控制的內(nèi)容目前仍然較少。所以，在設(shè)計多塔樓結(jié)構(gòu)時，仍然需要根據(jù)實際情況進(jìn)行建筑的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)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(jié)構(gòu)對應(yīng)起來，所以基本難以進(jìn)行建筑周期比和位移比的計算，因此也往往難以進(jìn)行建筑的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)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(jié)構(gòu)。而該種結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致建筑形成扭轉(zhuǎn)振型效應(yīng)，在計算時可以單塔樓計算方法計算周期比，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

綜上所述，高層建筑工程在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，抗扭剛度是最需要引起重視的一個參數(shù)，如果抗扭剛度較低，一旦發(fā)生地震，便會引起比較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，嚴(yán)重時還可能會導(dǎo)致建筑坍塌。所以，運(yùn)用必要的措施對扭轉(zhuǎn)反應(yīng)進(jìn)行控制是非常有必要的，根據(jù)《高規(guī)》中的相關(guān)要求，不僅要對偏心問題充分考慮，還需要嚴(yán)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(zhuǎn)效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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［2］杜東升，劉偉慶，王曙光等．粘滯流體阻尼墻對平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)控制研究［J］．工程力學(xué)，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(wěn)定設(shè)計及其扭轉(zhuǎn)屈曲因子［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2014，03∶1－6．

［4］中國人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．高層建筑混凝士結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3－2010）．中國建筑工業(yè)出版社，2011．

作者：朱海燕 單位：廣東省環(huán)境保護(hù)工程研究設(shè)計院