高位轉換結構設計中扭轉位移比超限問題的應對方法

羅全銳 黃培東 郭麗娟

（遵義職業技術學院，貴州 遵義 563000）

0 引言

現階段我國經濟飛速發展，人口大量涌入城市，為了解決住房問題，必然導致高層建筑逐漸增多。高層建筑由于風荷載和地震作用放大，對于結構平面設計以及豎向設計都有較高要求。尤其是高位轉換結構的設計，往往成為高層建筑結構設計的重難點。本文以實際工程為依托，針對高位轉換結構設計過程中出現的扭轉位移比超限問題進行分析并提出解決措施，以供參考。

1 工程概況

遵義市綏陽縣某建筑包括地下1層和地上26層（其中地上下部3層為大空間商業住宅，上部23層為普通住宅），建筑總高度86.50m。該工程占地面積1975.82m2，地上總建筑面積20620.23m2，按6度抗震設防，設計使用年限為50年。工程下部商業部分主要用途為旅舍，上部為普通住宅，故根據《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）要求進行荷載取值。建筑首層平面和住宅部分平面分別見圖1、圖2所示。

圖1 建筑首層平面

圖2 住宅部分平面圖

2 結構扭轉位移比分析

2.1 初始結構布置

由于下部3 層為需要大空間的商業住宅，上部為普通住宅，故該工程結構形式選定為部分框支剪力墻結構。圖1 顯示結構左側裙房部分與主體結構間形成45 度夾角，這樣很容易形成扭轉位移比偏大。圖2 顯示上部住宅部分左右也不對稱，而且核心筒部分有樓板的尺寸和平面剛度急劇變化。這些平面以及豎向的不規則都會嚴重影響結構扭轉位移比。

初始結構布置中為了防止結構扭轉位移比偏大，考慮將裙房角部位置的柱子和邊梁適當加大，初始布置中先將裙房角柱設計為600mm×600mm。上部普通住宅由于核心筒部分有樓板的尺寸和平面剛度急劇變化，故在核心筒周邊樓板適當加厚，核心筒兩側剪力墻間距較常規減小，上部普通住宅結構布置如圖3 所示。

圖3 上部普通住宅結構布置圖

2.2 結構扭轉位移比

根據此結構初始布置，采用計算軟件YJK 按照實際荷載及構件情況進行建模，對模型進行結構整體分析得到結構扭轉位移比如見表1 所示。將表1 結果對比抗震規范[1]和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）中的要求可知，X 向在負偏規定水平力作用下結構扭轉位移比為1.26，超過1.2，但小于1.4；Y 向在正偏規定水平力作用下結構扭轉位移比為1.72，已超過1.4，嚴重超限。

表1 初始結構布置條件下的扭轉位移比

3 結構扭轉位移比超限及應對方法分析

3.1 結構扭轉位移比超限分析

下面以Y 向正偏規定水平力作用下扭轉位移比為例進行分析。對軟件中的結構進行查詢可知，扭轉位移比為1.72 出現在裙房第一層，如圖4 所示，在裙房左側最下端的柱子。

圖4 扭轉位移比1.72的構件位置

《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）3.4.5 條指出，其扭轉位移比為樓層豎向構件最大的水平位移和層間位移與樓層平均值之間的比值。根據軟件結構輸出可知，該柱最大層間位移為2.01，平均層間位移為1.17，故該柱扭轉位移比為2.01/1.17=1.72。

通過對平面圖的分析可知，由于該構件本身與主體結構成一定夾角，故而在偏心作用和規定水平力作用下構件發生較大偏移，從而造成最大層間位移偏大。該柱兩個方向梁跨度分別為9.9m 和8m，初始模型中兩個跨度方向梁截面均為300mm×800mm，顯然梁截面偏小對該柱拉結不夠，造成最大層間位移偏大。

3.2 結構扭轉位移比超限應對方法

《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）3.4.5 條要求復雜高層扭轉位移比不應超過1.4，而該工程中Y 向正偏規定水平力作用下結構扭轉位移比已經達到1.72，嚴重超限，在地震作用下該柱可能會受到嚴重破壞。對汶川地震中得震害調查發現邊柱和角柱破壞較為嚴重，這些都反映了結構扭轉位移比超限對結構構件的破壞極其大[2]。因此需采取必要措施對該工程結構扭轉位移比超限問題進行改進。

該工程采取以下幾種方法，將結構扭轉位移比控制在規范允許限制1.4以內。

3.2.1 加大柱截面

柱的抗側剛度為12EI/h3，由于柱高h 已經確定，要想增加柱抗側剛度主要從截面慣性矩I進行考慮，采取措施將原來柱截面600mm×600mm 增大為800mm×800mm。修改后柱抗側剛度是初始布置柱抗側剛度的3.16 倍。通過增加柱截面增大柱剛度，從而減少柱層間位移值。

3.2.2 加大柱兩側梁截面

梁線剛度等于EI/l，初始布置時梁截面大小為300mm×800mm，修改后的梁截面大小為400mm×1000mm，修改后梁的線剛度是改前梁的2.6 倍。增強周邊框架梁線剛度可以減小該柱層間位移值，從而減小扭轉位移比。

3.2.3 設置剪力墻

雖然只需改善Y 向扭轉位移比，由于該柱所在位置裙房與主體結構有一定夾角，故需要在柱兩側設置剪力墻，以達到增加剛度、減小該柱層間位移的目的。設置剪力墻后的模型如圖5所示。

圖5 設置剪力墻后模型

3.2.4 將樓層位移最小區域梁和柱的截面減少

《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3-2010）3.4.5條指出其扭轉位移比為樓層豎向構件最大的水平位移和層間位移與樓層平均值之間的比值。減小扭轉位移比既可以減少樓層豎向構件最大的水平位移和層間位移，也可以通過增大樓層平均值。樓層平均值計算見圖6。

圖6 樓層平均值計算示意圖

樓層平均值計算公式為：（δ1+δ2）/2; 式中δ1為樓層最小位移，δ2為樓層最大位移。

通過減少樓層位移最小區域梁和柱的截面，使得該區域樓層最小位移增大，進而增大樓層平均值，最終實現降低扭轉位移比。

4 調整后與初始結構模型的扭轉位移比分析

通過上述4種方法的共同使用，查看調整后模型結構扭轉位移比較初始模型有了較大改善，調整后模型與之前模型的結構扭轉位移比對比分析如表2所示。

表2 調整前后模型扭轉位移比

從表2中可以看出Y向正偏規定水平力作用下扭轉位移比有了明顯改善，已經符合規范中不應大于1.4的限制。同時在調整過程中發現在X 向正偏規定水平力和Y向負偏規定水平力作用下扭轉位移比略有升高，但都并未超過限制，符合規范要求。

5 結束語

高位轉換的工程一般都帶有較大且平面不太規則的裙房，其扭轉位移比很容易超過規范限制。本文結合實際工程案例，針對高位轉換結構設計中存在的扭轉位移比超限問題進行了詳細分析，并提出了加大柱截面、加大柱兩側梁截面、設計剪力墻以及將樓層位移最小區域梁和柱的截面減少的應對措施，將該工程Y向正偏規定水平力作用下扭轉位移比從原來的1.72調整到1.38，調整后的扭轉位移比符合要求。