高层建筑结构设计中扭转效应的控制措施

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【摘 要】本文通过将具体工程的工程作为例子,结合实际情况,对高层建筑结构设计中控制扭转效应实用性措施进行一一陈述,向广大读者揭示出在建筑物尽量平均、对称对抗侧力结构进行布局,降低裙房和主楼上下刚度偏心,将小高层建筑结构平面设置长度控制在科学的范围内是有效控制的重要手段.

【关 键 词】高层建筑；扭转效应；控制措施

概念设计是结构设计中最基本的部分,在高层建筑结构设计中位于重要地位的一个概念设计便是平面设计.在进行高层建筑设计时,考虑的范围通常会涉及到多户型、采光情况、通风状况以及住户私密保护等多方面的因素,绝大部分结构的平面布置与竖向布置是无法达

到我国建筑设计规范所指定的标准,这个时候就要求设计人员必须通过专业知识对其结构的扭转效应进行调整,为确保工程符合相关要求作出应用的努力.

一、高层建筑A的基本情况介绍

高层建筑A,其主体结构标准层平面结构示意图如图一所示,该高层建筑的结构体系属于框架-剪力墙,抗震上的设防烈度确定为6度,场地土归类为Ⅳ类,建筑类型被归属在丙类建筑中,该高层建筑地上有25层,地下2层,全部高度为93m,其中框架、剪力墙在抗震等级设置上均为.

图一高层建筑A主体结构标准层平面结构示意图

通过研习力学的相关知识可以知道,构件距离质心距离越近,那么其抗扭刚度就就会相应的减小.因此在进行设计时,设计者应当在建筑物尽量多的设置抗侧力结构.这种设置方法的优越性在于,可以并不增加抗侧力构件的数量,大幅度的改善结构的抗扭刚度情况.在图一展示的实际工程中,可以观察到建筑总体结构布置相对平均、对称性比较好,在进行设计时候,倘若把位于两端的轴周围的剪力墙一次性的设置成框架结构,那么建筑的抗扭刚度将会大幅度的降低,其位移比结果就会相应的增大.这种设置方法下,整个建筑中的结构扭转、平动周期等相关数值都会相应的变大.然而,由于位于两侧的剪力墙全部被去除了,整个结构在设置上依然是比较均匀、对称的,因此其周期比并不会产生明显的改变.

二、对高层建筑扭转效应进行控制的基本原则

依照我国现行的《建筑抗震设计规范》中的相关规定,可以获知我国行业标准中对与结构平面的扭转不规则标准做出了明确的规定,除此之外,专门为高层建筑颁布的《高层建筑混凝土结构技术规程》也提出,设计者必须在设计师充分意识到受到偶然偏心干扰下,楼层设计时位于竖向的构件应当能够保障在水平位移以及层间位移达到最大水平,高度为的高层建筑应当控制在本楼层平均数值的一点二倍之内,更不得超过该楼层平均数值的一点五倍.高度被归类为B级的高层建筑以及混合结构高层建筑等建筑类型,不应当超过所处楼层平均数值的一点二倍,同时不得超过所在楼层平均值数值的一点四倍.在结构扭转为主体的第一自振周期Tt和平动为主的第一自振周期T1比值上,相关规定明确指出,高度高层建筑的比值应当控制在零点九以内,B级高度高层建筑以及混合结构的高层建筑比值应当控制在零点八五及其以内.行业标准的明确规定为广大设计者进行扭转效应控制提供了明确的参考,这是我国现代化进程中,为了保证现代化建设中建筑行业能够顺利、健康发展的外部条件,应当予以高度重视.

三、抗侧力结构设置必须遵循平均、对称的原则

进行高层建筑的设计过程中,尤其在对抗侧力构件进行布局时,设计人员必须牢牢将平均、分散、对称的原则作为黄金准则,尽量确保结构的质量中心能够和刚度中心在位置上接近.倘若位移比与我国颁布的相关规定不一致,则需要进行相应的改变.笔者结合多年实践经验总结出造成该种现象的原因在于结构的抗侧力构件布置在均匀性上有待提高.最常见的现象便是剪力墙布置均匀性不过关.在高层建筑A中,倘若将单边将轴周围的剪力墙设置成框架结构,而保留轴周围的的剪力墙.该种结构下y向抗侧力构件布置则无法达到均匀、对称的结果,通过运算结果证实水平方向的受力结构并没有因此受到影响,因此水平方向的位移比几乎没有产生什么变化,然而纵向的抗侧力结构的偏移程度就十分明显,采用SATWE程序进行运算结果显示位移比由先前的1217变成了1145,该方向上最大层间位移角也由先前的1/11844转变为1/1432.由此可见,抗侧力结构设计对称性、不均所带来的严重后果,设计时进行设计时,比寻遵循布局平均、对称的黄金法则.

在设计过程中,为了控制扭转效应,设计者的选择不仅仅是可以在建筑物设置相应的抗侧力结构外,同时也可以使用削弱核芯筒刚度的策略对整体结构的周期比值进行调整.针对高层建筑中的核心部位,在其剪力墙的中间布设结构洞的方法,能够保障结构刚度可以实现均匀、分散的标准.在对原剪力墙中间部位进行开洞操作时,需要注意的是尽量避免在

两端开洞,该种操作方法是为了不在工程中有短肢剪力墙出现,,特别是避免异形柱情况的出现,保证整个建筑的协调.

四、增加已有周边抗侧力结构的刚度

方法可以选择以下三种：第一,设计时将建筑物外角的单向剪力墙设置成为L形剪力墙,并且尽量的将其加长,外立面转角如果有可能不要开窗,转角窗更是需要避免的一种做法.第二,对距离质心位置相对较远处剪力墙厚度进行必要的加厚.第三,在高度上,对位于其周边剪力墙连梁的高度进行一定程度的增高.通常情况下连梁高度具体选择是由楼板和下层门窗顶之间的高度决定的.设计者为了达到有效加大剪力墙抗扭刚度的目的,建议将楼面以上到窗下边的高度部分转变成为连梁.换句话说就是除了窗洞以外,剩余的部分全部为连梁.

五、裙房部分杜绝出现上下层刚度偏心的情况

在设计高层建筑过程中,会较常遇到此类情况：主楼的设计符合我国高层建筑的相关规定,在控制结构扭转效应上达到国家规定.然而裙房部分却与标准有一定差距,造成这种现象的原因在于结构上下刚度偏心较大、裙房平面太长、最远处节点位移过大等,应对此类问题有两种解决办法.首先,对裙房结构的刚度进行增加.做法如下：在与位移最大节点地方相对应的最大位移方向设置剪力墙,这种方法能够有效降低裙房的最大位移程度,从而保障裙房的质量中心和刚度中心能够尽量接近.第二种方法是高层建筑中主楼与裙房全部设置有地下室,此时应当将主楼与裙房在地下室顶板上端部分采用伸缩缝将其割裂开；如若只有主楼设置有地下室,在处理时,设计时应当选择使用沉降缝确保主楼与裙房是独立存在的,该种做法能够有效的消解裙房部分因为上下层刚度偏心造成较大扭转现象.

六、小高层建筑设计时保证结构平面不要太过狭长

研究证实,我国现在层数在十几层小高层住宅已经越来越多,进行建筑设计时,为了使设计建筑满足使用的需求,通常会套用多层砖混结构的住宅设置方法,然而这样的直接后果就是绝大部分小高层住宅的平面布置过于狭长,这又与我国推行的相关规定造成了冲突,解决以上问题同样有两种方法.

第一,小高层结构体系尽量选择框架结构,这样做的优点便是能够确保长度超过一定标准的结构能够在伸缩缝的参与下脱开.如果条件不允许,那么则可以选择对端部开间的抗侧刚度进行加大的方法.在操作时,设计人员可以对具边框架的角柱断面进行一定程度的加大、对框架梁高度进行加大,该种尝试在改善结构抗扭刚度上都有明显优势.第二,小高层结构体系可以选择使用框架-剪力墙结构.在现实生活中房屋高度“小高”的情况,,剪力墙通常仅仅在楼梯间以及电梯间设置,这种方法很容易导致结构不对称,为解决此类问题,可以对中间部分的剪力墙刚度进行削弱,为保障平衡,可以在外面部分加设剪力墙.需要注意的是该种设置方式一般只在地震烈度较小的地方设置,因为结构的抗侧刚度过大.

总的来说在进行小高层结构体系设计时,最需要注意的问题就是应当尽量用最大的努力使得长度过于狭长的结构分裂开,假如现实情况禁止的作业条件下,设计者应当做的事情就是在结构相对较大的部分有意识的增加抗侧力刚度的方法实现对扭转效应的控制.如果现实情况可以选择该种方案,那么在进行具体设计时,设计者应当在中间相应的设置框架柱,也就是对框架的跨数进行增加.采用该种措施能够迅速提高梁的线刚度,更重要的是对于整个结构的抗扭刚度,也可以明显的改善.此外,还需要注意的是,小的高层在建设过程中,通常会选择框架剪力墙的构造方法,众所周知,因为在高度上,小高建筑的房屋并没有达到很高的水平,因此在设计剪力墙的时候,其位置一般是位于楼梯和电梯两者之间,这样的抗侧力在构造往往不是过于集中就是分布的十分散乱,扭转效应相对更加显著,面对此类情况,设计者需要做的就是必须想想办法将位于中间的剪力墙部分在结构上尽可能的消弱,在地质结构稳定、不易发生等级较大的地震中这种办法是十分常见的.

七、结语

高层建筑中所涉及到的扭转问题,并不像表面看起来那样只是平面问题,而是涉及到多方面内容的问题,笔者通过对现实案例的探讨以及结合自身实践经验,提出了有效控制高层建筑结构设计时扭转效应的具体措施,试图为相关人员进行高层建筑设计提供有效的文献参考,提高设计质量.

参考资料：

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作者简介：

刘广彦（1963.407）,男,辽宁省大连市（原籍：牡丹江）,现职称：高级工程师,学历：硕士,研究方向：高层结构.