论文部分内容阅读
摘要：高程建筑结构的扭转反应控制在设计中起到举足轻重的作用，但目前上没有相关的具体标准可以遵循。为此，首先对《高层建筑混凝土结构技术规程》的有关理论进行分析，限制结构主要考虑的是偏心水平地震作用下，不同楼层的最大位移与最大层间的比值，以及高层间距结构的第一振型周期T和以平动为主的第一振型周期T1的周期比；本文首先通过对偶然扭转因素的分析，得到相应的扭转控制机制，接着通过高层建筑实例结构分析，得到了一些控制扭转产生的设计建议：对与本文的研究对象某办公楼建筑结构，最好是能够把不同建筑与其相应的群房从裙房顶板处分割，然后计算出分割之后的周期比，而对于顶部存在刚性连接的办公楼建筑而言，应该选择整体结构方程的计算方式验证高层建筑扭转与平动的周期比。
关键字：高层建筑结构；扭转反应；控制；刚度
中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：引言
高层建筑结构常常受到扭转反应带来的各种震害的影响，对结构进行扭转结构控制不但要考虑建筑物本身，还需要对地震在地面上运动产生的分量进行分析，在充分把握其影响因素的基础上，对结构进行合理的调整，改善其扭转振动性能，最终提高建筑结构对扭转振动的抵抗能力。一般而言，在进行高层建筑的扭转反应控制的设计时，会遇到以下问题或者其中的某个问题：（1）在偶然扭转因素中，平面设计对称结构能否对地震产生一定的扭转反应；（2）扭转位移比能否最终控制在限值范围之内；（3）顶部无刚性连接多塔结构的周期比检验方法的选择。
1.偶然扭转因素与影响分析
所谓偶然扭转就是指地震中出现的某些不确定的因素导致建筑建构的扭转反应，比如在地震时，建筑物的底部会产生一定的扭转作用分量，这里的扭转分量的运动加速度无法进行准确计算，因此属于偶然扭转因素；无法准确的计算得出预设结构的刚度与质量的实际分布情况；若结构与非结构作出屈服或者损坏的线形反应时，不同构件都会出现程度不同的退化现象，这时进行的计算结果显然比实际情况偏大许多。在偶然扭转的因素考虑中，目前主要的方法就是附加0.05L偶然偏心计算近似值法（其中L为建筑物的长度）。
1.1偶然转动的实例分析
本文将引入美国的三幢高层建筑进行实例探讨，这三幢建筑的结构平面设计大致对称，在不计土和基础间相互作用的情况下。
图1高层建筑A的平面结构
图2高层建筑B的平面结构
图3高层建筑C的平面结构
图1表示建筑A的平面设计，三层钢结构，1989年的10月份在地震中测量得到建筑底部的两水平加速度的时程及，与建筑的二、三层楼面与楼顶的2个水平加速度的时程与转动加速度的时程分别为。图2表示建筑物B的平面设计图，两层钢筋混凝土结构，在1987年与1990年的两次地震中测量得到建筑物的底部和二层楼面与楼顶的时程分别为。图3表示建筑物C的结构平面设计，三层钢结构，在1989年的地震中检测出建筑物的底部与三层楼面与屋顶的时程分别为。
表1底部转动的加速度峰值以及x方向上加速度峰值、转动剪力比
如表1给出的建筑底部加速度峰值和底部x方向的水平加速的峰值的对比。从表1中能够看出，与的比值均在0.20-0.30范围之内。值得注意的是，其中B建筑物的平面面积只有，在这样长度一般的高层建筑的底部还可以发现显著的转动加速度。若按照地震运动的波型分析，对地面上相位的差异进行运动分析，只能对其中的超长部分（例如长度大于300m）才能看出某些转动分量。
1.2偶然扭转作用对建筑结构设计的影响
仍然采用目前国内外比较普遍的0.05L的偶然近似值偏心对偶然扭转作用进行分析，从上文中所引三幢高层建筑物在既定地震中的反应结果中，足可以证明其有效性。首先建筑物C的偶然扭转影响相对较大，在某些点的内力作用增加至0.30，比根据0.05L的偶然近似偏心计算结果还要大些。其次，建筑物A和B的偶然扭转作用影响较小，一般的内力作用增加为0.02-0.04。在那些平面长度较短且周期比较小的多层建筑结构中，由底部转动作用而引起的加速度也相对较小，因此偶然扭转作用带来的影响也较小，附加0.05L的近似偏心计算结构也小，对结构产生的内力不高，但会对扭转位移比产生一定的影响。
在设计时就需要将偶然扭动的影响考虑在内，需要考虑的具体情况有：结构的扭转周期大于或者近似于平动周期；如果建筑物的长度较长，例如上文中建筑物C的长度为77米左右，那么就必须将这一影响纳入0.05L计算的条件之内；地震运动时产生的转动分量和建筑物所在的地理环境、地震的发生条件有关；结构与非结构的屈服以及局部的损坏都能增加扭转作用，例如上文中建筑物C的部分填充墙受到损坏，也会能加C的偶然扭转作用。
总之，平面结构具有对称设计的建筑，在地震中也无法避免扭转作用的影响，这是因为地震中的建筑物的底部会产生一定的扭转运动分量和实际结构刚度，系上质量分布很难和预计吻合等共同造成。
2.控制扭转反应的技术手段
根据上文的分析可知，高層建筑能够产生扭转，主要因为建筑物的质量中心和刚度中心相差过大，或者某些建筑的结构刚度与建筑所需不匹配等原因导致的，为了能够有效的控制建筑结构的扭转作用，也应该从降低刚度中心与建筑物质量中心的偏差，调整建筑结构的抗扭刚度以及抗侧刚度出发。
在质量中心和刚度中心的控制方面，首先必须对建筑结构的设计有一个整体的了解，然后采用概念设计的方式，对建筑平面加以合理的规划，对各种部件加以科学的使用，以尽可能的控制建筑的抗侧力及其刚度，最终达到降低建筑质量中心和刚度中心的偏差程度。具体做法包括，联系建筑专业设计人员，根据建筑所在地的环境特征，对需要注意的位置设计合理的伸缩缝，对结构单元进行科学的布局，保证结构单元符合平面设计规则，不要出现明显的平面凸出或者凹陷。对于抗侧力的布置，主要就是按照均匀、分散、周边、对称的标准，避免抗侧力过于集中于某一点或位置。
3.案例分析
为了说明问题，本文选取某高层办公楼建筑作为工程实例。办公楼的地下一层，地上十三层，局部三层，楼面有一造型，办公楼呈平面对称设计，选用了一般的框架结构。
在结构设计之初，框架柱放入尺寸为，5-8轴的中柱为，其中1轴与12轴柱是。框架梁的尺寸主要是，C、D轴之间的框架梁是。根据以上信息就可以得出最初的计算结果，如表2所示。
表2最初计算结果
从以上计算结果可以看出，因为建筑物平面较长，其结构本身的抗扭刚度就变得较小，于是结构的第二振型主要表现为扭动，且其周期比大于9%。所以需要对结构的抗扭刚度进行加强。主要方法就是增加1轴与12轴的柱截面积，从原来的增加到，在进行计算，结果如表3所示。
表3首次调整之后的计算结果
从这次调整之后的计算结果来看，增加柱截面积对抗扭刚度有一定的提高，但是仔细观察发现，其提高仍然有限，而且周期的改变也不够大。因此，考虑将轴1与轴12的全场框架增加至，再次进行计算，得到计算结果如表4所示。
表4再次调整之后的计算结果
从第二次调整之后的计算结果上看，梁截面的面积增加之后，尤其是短跨上的梁增加之后，建筑结构的抗扭刚度得到了明显的提高，而且第二振动型改变成为平动振型，以扭动为主的振型降低至第三振型，同时周期比也有了明显的降低。
总整体上看，基本上达到了降低质量中心与刚度中心差异的目的，而且优化了扭动刚度和抗侧刚度0、，即对办公楼这一高层建筑结构的扭转反应起到可有效的控制。
参考文献：
[1]黄列巍.浅谈高层建筑结构的扭转反应控制[J].中国民居,2012年03期
[2]唐玉果,邓雪松,周云.地震作用下偏心结构扭转控制的研究与应用[J].工程抗震与加固改造,2008年02期
[3]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,（07）
关键字：高层建筑结构；扭转反应；控制；刚度
中图分类号：TU97文献标识码： A 文章编号：引言
高层建筑结构常常受到扭转反应带来的各种震害的影响，对结构进行扭转结构控制不但要考虑建筑物本身，还需要对地震在地面上运动产生的分量进行分析，在充分把握其影响因素的基础上，对结构进行合理的调整，改善其扭转振动性能，最终提高建筑结构对扭转振动的抵抗能力。一般而言，在进行高层建筑的扭转反应控制的设计时，会遇到以下问题或者其中的某个问题：（1）在偶然扭转因素中，平面设计对称结构能否对地震产生一定的扭转反应；（2）扭转位移比能否最终控制在限值范围之内；（3）顶部无刚性连接多塔结构的周期比检验方法的选择。
1.偶然扭转因素与影响分析
所谓偶然扭转就是指地震中出现的某些不确定的因素导致建筑建构的扭转反应，比如在地震时，建筑物的底部会产生一定的扭转作用分量，这里的扭转分量的运动加速度无法进行准确计算，因此属于偶然扭转因素；无法准确的计算得出预设结构的刚度与质量的实际分布情况；若结构与非结构作出屈服或者损坏的线形反应时，不同构件都会出现程度不同的退化现象，这时进行的计算结果显然比实际情况偏大许多。在偶然扭转的因素考虑中，目前主要的方法就是附加0.05L偶然偏心计算近似值法（其中L为建筑物的长度）。
1.1偶然转动的实例分析
本文将引入美国的三幢高层建筑进行实例探讨，这三幢建筑的结构平面设计大致对称，在不计土和基础间相互作用的情况下。
图1高层建筑A的平面结构
图2高层建筑B的平面结构
图3高层建筑C的平面结构
图1表示建筑A的平面设计，三层钢结构，1989年的10月份在地震中测量得到建筑底部的两水平加速度的时程及，与建筑的二、三层楼面与楼顶的2个水平加速度的时程与转动加速度的时程分别为。图2表示建筑物B的平面设计图，两层钢筋混凝土结构，在1987年与1990年的两次地震中测量得到建筑物的底部和二层楼面与楼顶的时程分别为。图3表示建筑物C的结构平面设计，三层钢结构，在1989年的地震中检测出建筑物的底部与三层楼面与屋顶的时程分别为。
表1底部转动的加速度峰值以及x方向上加速度峰值、转动剪力比
如表1给出的建筑底部加速度峰值和底部x方向的水平加速的峰值的对比。从表1中能够看出，与的比值均在0.20-0.30范围之内。值得注意的是，其中B建筑物的平面面积只有，在这样长度一般的高层建筑的底部还可以发现显著的转动加速度。若按照地震运动的波型分析，对地面上相位的差异进行运动分析，只能对其中的超长部分（例如长度大于300m）才能看出某些转动分量。
1.2偶然扭转作用对建筑结构设计的影响
仍然采用目前国内外比较普遍的0.05L的偶然近似值偏心对偶然扭转作用进行分析，从上文中所引三幢高层建筑物在既定地震中的反应结果中，足可以证明其有效性。首先建筑物C的偶然扭转影响相对较大，在某些点的内力作用增加至0.30，比根据0.05L的偶然近似偏心计算结果还要大些。其次，建筑物A和B的偶然扭转作用影响较小，一般的内力作用增加为0.02-0.04。在那些平面长度较短且周期比较小的多层建筑结构中，由底部转动作用而引起的加速度也相对较小，因此偶然扭转作用带来的影响也较小，附加0.05L的近似偏心计算结构也小，对结构产生的内力不高，但会对扭转位移比产生一定的影响。
在设计时就需要将偶然扭动的影响考虑在内，需要考虑的具体情况有：结构的扭转周期大于或者近似于平动周期；如果建筑物的长度较长，例如上文中建筑物C的长度为77米左右，那么就必须将这一影响纳入0.05L计算的条件之内；地震运动时产生的转动分量和建筑物所在的地理环境、地震的发生条件有关；结构与非结构的屈服以及局部的损坏都能增加扭转作用，例如上文中建筑物C的部分填充墙受到损坏，也会能加C的偶然扭转作用。
总之，平面结构具有对称设计的建筑，在地震中也无法避免扭转作用的影响，这是因为地震中的建筑物的底部会产生一定的扭转运动分量和实际结构刚度，系上质量分布很难和预计吻合等共同造成。
2.控制扭转反应的技术手段
根据上文的分析可知，高層建筑能够产生扭转，主要因为建筑物的质量中心和刚度中心相差过大，或者某些建筑的结构刚度与建筑所需不匹配等原因导致的，为了能够有效的控制建筑结构的扭转作用，也应该从降低刚度中心与建筑物质量中心的偏差，调整建筑结构的抗扭刚度以及抗侧刚度出发。
在质量中心和刚度中心的控制方面，首先必须对建筑结构的设计有一个整体的了解，然后采用概念设计的方式，对建筑平面加以合理的规划，对各种部件加以科学的使用，以尽可能的控制建筑的抗侧力及其刚度，最终达到降低建筑质量中心和刚度中心的偏差程度。具体做法包括，联系建筑专业设计人员，根据建筑所在地的环境特征，对需要注意的位置设计合理的伸缩缝，对结构单元进行科学的布局，保证结构单元符合平面设计规则，不要出现明显的平面凸出或者凹陷。对于抗侧力的布置，主要就是按照均匀、分散、周边、对称的标准，避免抗侧力过于集中于某一点或位置。
3.案例分析
为了说明问题，本文选取某高层办公楼建筑作为工程实例。办公楼的地下一层，地上十三层，局部三层，楼面有一造型，办公楼呈平面对称设计，选用了一般的框架结构。
在结构设计之初，框架柱放入尺寸为，5-8轴的中柱为，其中1轴与12轴柱是。框架梁的尺寸主要是，C、D轴之间的框架梁是。根据以上信息就可以得出最初的计算结果，如表2所示。
表2最初计算结果
从以上计算结果可以看出，因为建筑物平面较长，其结构本身的抗扭刚度就变得较小，于是结构的第二振型主要表现为扭动，且其周期比大于9%。所以需要对结构的抗扭刚度进行加强。主要方法就是增加1轴与12轴的柱截面积，从原来的增加到，在进行计算，结果如表3所示。
表3首次调整之后的计算结果
从这次调整之后的计算结果来看，增加柱截面积对抗扭刚度有一定的提高，但是仔细观察发现，其提高仍然有限，而且周期的改变也不够大。因此，考虑将轴1与轴12的全场框架增加至，再次进行计算，得到计算结果如表4所示。
表4再次调整之后的计算结果
从第二次调整之后的计算结果上看，梁截面的面积增加之后，尤其是短跨上的梁增加之后，建筑结构的抗扭刚度得到了明显的提高，而且第二振动型改变成为平动振型，以扭动为主的振型降低至第三振型，同时周期比也有了明显的降低。
总整体上看，基本上达到了降低质量中心与刚度中心差异的目的，而且优化了扭动刚度和抗侧刚度0、，即对办公楼这一高层建筑结构的扭转反应起到可有效的控制。
参考文献：
[1]黄列巍.浅谈高层建筑结构的扭转反应控制[J].中国民居,2012年03期
[2]唐玉果,邓雪松,周云.地震作用下偏心结构扭转控制的研究与应用[J].工程抗震与加固改造,2008年02期
[3]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,（07）