摘要：結構設計人員在高層建筑設計中會通過七大比值來判斷結構是否合理，本文主要通過“位移比”和“周期比”兩個比值并結合相對扭轉效應公式展開關于抗扭設計的論述，且介紹高層建筑結構設計中控制扭轉的一些具體措施。

　　關鍵詞：位移比 周期比 相對扭轉效應 抗扭措施

　　1 位移比、周期比的概念

　　位移比、周期比都是限制扭轉，但概念不同。位移比是控制結構整體抗扭特性和平面規則性的重要指標。主要為控制結構平面規則性，以免形成扭轉，對結構產生不利影響。側重結構實際存在的扭轉量值。

　　控制周期比的目的是使抗側力構件的平面布置更有效、更合理，使結構不出現過大的扭轉效應。控制結構周期比的實質是控制結構的扭轉變形要小于結構的平動變形。周期比不是要求結構足夠結實，而是要求結構剛度布局合理，以此控制地震作用下結構扭轉振動效應不成為主振動效應，避免結構扭轉破壞。扭轉周期過大，說明該結構的抗扭能力弱(結構可能完全對稱，不一定扭轉，但抗側剛度集中在平面中部的框架—核心筒等結構，但周期比可能會比較大)這也說明兩個概念的差別。側重結構的抗扭能力。

　　2 位移比、周期比控制的標準及解說

　　文獻[5]給出了一個相對扭轉效應式 ( 為結構相對扭轉效應， 為結構相對偏心距， 為周期比)，若周期比 Tt/T1小于 0.5，則相對扭轉振動效應θr/u一般較小，即使結構的剛度偏心很大，偏心距e達到 0.7r，其相對扭轉效應θr/u值亦僅為0.2 。而當周期比Tt/T1大于 0.85 以后，相對扭振效應θr/u值急劇增加。即使剛度偏心很小，偏心距e僅為 0.1r ，當周期比 Tt/T1等于 0.85 時，相對扭轉效應θr/u值可達0.25 ;當周期比Tt/T1接近 1 時，相對扭轉效應θr/u值可達 0.5 。由此可見，抗震設計中應采取措施減小周期比Tt/T1值。文獻[5]中還繪制出θr/u與e/r及Tt/T1的關系曲線，從圖中可以看出結構相對扭轉反應隨著周期比的增大存在明顯的動力增大效應。為此，《抗規》和《高規》都做如下規定：結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及本規程第10章所指的復雜高層建筑不應大于0.85。

　　高規(4.3.5)條規定的位移比是指在考慮偶然偏心影響的水平地震作用下，結構每個樓層的最大位移和最大層間位移，與該層平均位移和平均層間位移的比值。A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍;B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及本規程第10章所指的復雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.4倍。高規的這一規定給出了扭轉不規則的定量劃分標準，使高層建筑結構平面布置設計有了計算方法和標準，不再停留在宏觀的概念上。除了客觀存在的偏心距之外，規范還提到考慮偶然偏心影響的地震作用。此條規定主要考慮到結構的地震動力反應過程中可能由于地面的扭轉運動、結構剛度和質量分布相對于計算假定值的偏差以及在非彈性反應過程中各抗側力結構剛度退化程度不同等原因引起的扭轉反應增大。

　　3 位移比、周期比調整的原則

　　位移比和周期比反映出來的是結構的平面布置是否合理。對于平面布置比較規則的結構，一般位移比和周期比較容易滿足規范要求。但出現位移比或是周期比不滿足的情況，這個時候應該調整的是增大結構抗扭剛度與抗側剛度的比例;對于平面布置不規則的結構，不能僅僅是單獨加強抗側剛度和抗扭剛度其中之一。因為當調整到周期比足夠小的時候，即使結構的偏心率比較大，其位移比往往也能滿足規范要求。這個時候雖然單從計算結果來看滿足規范要求，但從結構概念來看，這樣的結構是不合理、不經濟的。所以應該從結構整體布置的合理性出發，多方面進行調整。從文獻[5]相對扭轉效應式 中可以看出，如果同時考慮調整偏心率和周期比更容易達到比較理想的結果。

　　4 抗扭設計的一些措施

　　(1)抗側力構件布置盡量均勻、對稱

　　在實際工程中，由于建筑造型的要求、建筑場地的限制或建筑功能的需要，在高層建筑結構設計中，大多數結構的平面布置和豎向布置很難達到規范所要求的“規則”標準。此時，結構設計人員進行結構的平面布置應該從結構概念出發，從整體上把握好結構的布置。

　　(2)盡可能加大現有周邊抗側力構件的剛度

　　為了加大結構的抗扭剛度，除了可在最大位移處布置抗側力構件外，還可以采用加大原有抗側力構件剛度的方法，如：

　　①加厚離質心較遠處剪力墻的厚度;

　　②在滿足建筑功能的前提下應將建筑物轉角原單向剪力墻布置成L形剪力墻，且盡可能延長;外立面轉角盡可能避免開窗，更應該避免開轉角窗，因開轉角窗而造成的剛度突變，對結構抗扭很不利;

　　③ 加大周邊剪力墻連梁的高度。一般連梁的高度取樓板距下層門窗頂的高度。為了增加剪力墻抗扭剛度，可以將樓面以上至窗下邊的高度部分也變成連梁，即除窗洞外，其余部分均為連梁。

　　(3)削弱結構內部剛度

　　在核心部位剪力墻中間開結構洞，使結構剛度達到均勻、分散的目的。盡可能在原剪力墻中間部位開洞，不要靠近兩端，以避免出現短肢剪力墻，更不允許出現異形柱。

　　(4)防止結構平面過于狹長

　　現在，十多層左右的小高層住宅較多，建筑專業為了滿足使用要求，往往套用多層磚混結構住宅的戶型，大多數小高層住宅的平面布置過于狹長，其長寬比接近或超過《高規》第4.3.3條的要求，有的長度超過了《混凝土結構設計規范》(GB50010-2002)規定的鋼筋混凝土結構伸縮縫的最大間距要求。一般來說，平面狹長結構的抗扭剛度是比較弱的，很難滿足《高規》的要求。可以通過以下兩個方法解決：

　　① 小高層結構體系采用框架結構。首先盡可能將過于狹長的結構用伸縮縫斷開。如果建筑專業不允許，可通過加大端部開間的抗側剛度達到限制結構扭轉效應的目的。具體可將邊框架的角柱截面增大、加大框架梁的高度;如條件允許，中間增加框架柱，即增加框架的跨數。這些方法可以增加梁的線剛度，也可顯著增加結構的抗扭剛度。

　　② 小高層結構體系采用框架—剪力墻結構。由于房屋高度不高，剪力墻一般僅布置在樓梯間或電梯間，這些抗側力結構往往過于集中或設置不對稱，結構的扭轉效應很大。在這種情況下，必須削弱中間部分剪力墻的剛度，在外側加剪力墻。但此時結構的抗側剛度太大，沒有必要。因此能采用框架體系時，盡量不采用框架—剪力墻體系，因為在地震烈度不大的地區采用框架結構反而更易滿足《高規》控制抗扭效應的要求。

　　(5)裙房部分防止上下層剛度偏心

　　在高層建筑設計中，通常存在以下情況：當主樓滿足《高規》第4.3.5條的有關控制結構扭轉效應的要求時，裙房部分卻不能滿足。這主要是由于結構上下剛度偏心較大。裙房相對于主樓偏心布置、裙房平面不規則或過于狹長、裙房的剛度相對于主樓來說太弱、剛度中心與質量中心相差太遠、最遠處節點位移偏大等原因引起的。

　　解決以上問題的方法有兩種：一是增加裙房部分的剛度，在位移最大處相應的最大位移方向布置剪力墻，以減小裙房的最大位移，使裙房的質量中心與剛度中心盡可能重合;二是當樓、裙房都有地下室時，將主樓與裙房在地下室頂板以上用伸縮縫分開;當主樓有地下室，裙房無地下室時，如建筑專業允許，可以用沉降縫將主樓與裙房分開，使主樓與裙房分別形成獨立的結構體系，經過這樣處理，能解決裙房部分由于上下層剛度偏心引起的較大扭轉效應。

　　5 結語

　　高層建筑扭轉效應比較容易帶來結構破壞，本文簡單闡述了一些理論上的概念、原則及相應的一些措施。結構設計人員應該加強自己的結構概念，從一個項目的初步階段就把握整體結構布置，然后再一步步細化，最終使結構布置既滿足建筑功能也能滿足結構規范的要求。

　　參 考 文 獻

　　[1]《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)，北京：中國建筑工業出版社,2002

　　[2]《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)，北京：中國建筑工業出版社，2010

　　[3]《混凝土結構設計規范》(GB50010-2002)，北京：中國建筑工業出版社，2002

　　[4] PKPM系列新規范設計軟件SATWE、TAT、PMSAP應用指南，中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所，2008

　　[5]徐培福等，高層建筑結構在地震作用下的扭轉振動效應，建筑科學，2001;(1)