高位转换结构设计中扭转位移比超限问题的应对方法

罗全锐 黄培东 郭丽娟

（遵义职业技术学院，贵州 遵义 563000）

0 引言

现阶段我国经济飞速发展，人口大量涌入城市，为了解决住房问题，必然导致高层建筑逐渐增多。高层建筑由于风荷载和地震作用放大，对于结构平面设计以及竖向设计都有较高要求。尤其是高位转换结构的设计，往往成为高层建筑结构设计的重难点。本文以实际工程为依托，针对高位转换结构设计过程中出现的扭转位移比超限问题进行分析并提出解决措施，以供参考。

1 工程概况

遵义市绥阳县某建筑包括地下1层和地上26层（其中地上下部3层为大空间商业住宅，上部23层为普通住宅），建筑总高度86.50m。该工程占地面积1975.82m2，地上总建筑面积20620.23m2，按6度抗震设防，设计使用年限为50年。工程下部商业部分主要用途为旅舍，上部为普通住宅，故根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）要求进行荷载取值。建筑首层平面和住宅部分平面分别见图1、图2所示。

图1 建筑首层平面

图2 住宅部分平面图

2 结构扭转位移比分析

2.1 初始结构布置

由于下部3 层为需要大空间的商业住宅，上部为普通住宅，故该工程结构形式选定为部分框支剪力墙结构。图1 显示结构左侧裙房部分与主体结构间形成45 度夹角，这样很容易形成扭转位移比偏大。图2 显示上部住宅部分左右也不对称，而且核心筒部分有楼板的尺寸和平面刚度急剧变化。这些平面以及竖向的不规则都会严重影响结构扭转位移比。

初始结构布置中为了防止结构扭转位移比偏大，考虑将裙房角部位置的柱子和边梁适当加大，初始布置中先将裙房角柱设计为600mm×600mm。上部普通住宅由于核心筒部分有楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，故在核心筒周边楼板适当加厚，核心筒两侧剪力墙间距较常规减小，上部普通住宅结构布置如图3 所示。

图3 上部普通住宅结构布置图

2.2 结构扭转位移比

根据此结构初始布置，采用计算软件YJK 按照实际荷载及构件情况进行建模，对模型进行结构整体分析得到结构扭转位移比如见表1 所示。将表1 结果对比抗震规范[1]和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）中的要求可知，X 向在负偏规定水平力作用下结构扭转位移比为1.26，超过1.2，但小于1.4；Y 向在正偏规定水平力作用下结构扭转位移比为1.72，已超过1.4，严重超限。

表1 初始结构布置条件下的扭转位移比

3 结构扭转位移比超限及应对方法分析

3.1 结构扭转位移比超限分析

下面以Y 向正偏规定水平力作用下扭转位移比为例进行分析。对软件中的结构进行查询可知，扭转位移比为1.72 出现在裙房第一层，如图4 所示，在裙房左侧最下端的柱子。

图4 扭转位移比1.72的构件位置

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）3.4.5 条指出，其扭转位移比为楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移与楼层平均值之间的比值。根据软件结构输出可知，该柱最大层间位移为2.01，平均层间位移为1.17，故该柱扭转位移比为2.01/1.17=1.72。

通过对平面图的分析可知，由于该构件本身与主体结构成一定夹角，故而在偏心作用和规定水平力作用下构件发生较大偏移，从而造成最大层间位移偏大。该柱两个方向梁跨度分别为9.9m 和8m，初始模型中两个跨度方向梁截面均为300mm×800mm，显然梁截面偏小对该柱拉结不够，造成最大层间位移偏大。

3.2 结构扭转位移比超限应对方法

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）3.4.5 条要求复杂高层扭转位移比不应超过1.4，而该工程中Y 向正偏规定水平力作用下结构扭转位移比已经达到1.72，严重超限，在地震作用下该柱可能会受到严重破坏。对汶川地震中得震害调查发现边柱和角柱破坏较为严重，这些都反映了结构扭转位移比超限对结构构件的破坏极其大[2]。因此需采取必要措施对该工程结构扭转位移比超限问题进行改进。

该工程采取以下几种方法，将结构扭转位移比控制在规范允许限制1.4以内。

3.2.1 加大柱截面

柱的抗侧刚度为12EI/h3，由于柱高h 已经确定，要想增加柱抗侧刚度主要从截面惯性矩I进行考虑，采取措施将原来柱截面600mm×600mm 增大为800mm×800mm。修改后柱抗侧刚度是初始布置柱抗侧刚度的3.16 倍。通过增加柱截面增大柱刚度，从而减少柱层间位移值。

3.2.2 加大柱两侧梁截面

梁线刚度等于EI/l，初始布置时梁截面大小为300mm×800mm，修改后的梁截面大小为400mm×1000mm，修改后梁的线刚度是改前梁的2.6 倍。增强周边框架梁线刚度可以减小该柱层间位移值，从而减小扭转位移比。

3.2.3 设置剪力墙

虽然只需改善Y 向扭转位移比，由于该柱所在位置裙房与主体结构有一定夹角，故需要在柱两侧设置剪力墙，以达到增加刚度、减小该柱层间位移的目的。设置剪力墙后的模型如图5所示。

图5 设置剪力墙后模型

3.2.4 将楼层位移最小区域梁和柱的截面减少

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）3.4.5条指出其扭转位移比为楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移与楼层平均值之间的比值。减小扭转位移比既可以减少楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移，也可以通过增大楼层平均值。楼层平均值计算见图6。

图6 楼层平均值计算示意图

楼层平均值计算公式为：（δ1+δ2）/2; 式中δ1为楼层最小位移，δ2为楼层最大位移。

通过减少楼层位移最小区域梁和柱的截面，使得该区域楼层最小位移增大，进而增大楼层平均值，最终实现降低扭转位移比。

4 调整后与初始结构模型的扭转位移比分析

通过上述4种方法的共同使用，查看调整后模型结构扭转位移比较初始模型有了较大改善，调整后模型与之前模型的结构扭转位移比对比分析如表2所示。

表2 调整前后模型扭转位移比

从表2中可以看出Y向正偏规定水平力作用下扭转位移比有了明显改善，已经符合规范中不应大于1.4的限制。同时在调整过程中发现在X 向正偏规定水平力和Y向负偏规定水平力作用下扭转位移比略有升高，但都并未超过限制，符合规范要求。

5 结束语

高位转换的工程一般都带有较大且平面不太规则的裙房，其扭转位移比很容易超过规范限制。本文结合实际工程案例，针对高位转换结构设计中存在的扭转位移比超限问题进行了详细分析，并提出了加大柱截面、加大柱两侧梁截面、设计剪力墙以及将楼层位移最小区域梁和柱的截面减少的应对措施，将该工程Y向正偏规定水平力作用下扭转位移比从原来的1.72调整到1.38，调整后的扭转位移比符合要求。