试析建筑结构中的抗扭设计

试析建筑结构中的抗扭设计

潘志义潘曼玲

河南大鼎建筑工程有限公司河南安阳456500

摘要：目前，建筑业的重点是加强结构抗扭，在这个阶段，对房屋结构的要求越来越高，建筑结构受到翻译和剪切等多方面的影响。如果房屋结构颠倒，将会产生极其严重的后果，导致建筑物倒塌。近年来，房屋倒塌受到了重视。

关键词：建筑结构；抗扭设计；研究

引言

随着房地产业的兴起和土地资源的稀缺，高层建筑在国民生产建设中发挥了至关重要的作用。为了确保城市建筑的各种建筑功能和美学要求，各种尺寸都有所不同，高层建筑也越来越多。然而，国内外大量的地震破坏调查表明，在地质灾害中，特别是在地震中，具有不对称平面，不规则性，偏心质量和刚度以及扭转刚度的结构受到严重破坏。国外的一些振动台试验模型也表明扭转效应会导致严重的结构损坏。

1造成建筑结构的扭转的因素

1.1外力作用。地震时地面质量间具有运动的差别性，使地面不仅产生平动分量，同时也产生转动分量，正是后者迫使结构产生了扭转。但由于地震观测的工作条件复杂，使得扭转分量的相关理论和计算方法还不成熟，一些实际技术工作也没能得到解决。

1.2建筑平面不规则。平面不规则的建筑物在地震中容易产生扭转破坏，这已经在历次地震中得到了验证。例如带有较长翼缘的L形、U形、H形、T形、十字形、Y形平面、长宽比很大的长条形平面，因为此类平面在地震时容易发生差异侧移导致扭转，从而使建筑物严重破坏。

1.3.平面刚度不均匀。当建筑结构的平面刚度不均匀，刚度中心与质量中心之间相差较远时，会导致地震作用下结构的扭转破坏。

1.4.质量分布不均匀。当建筑物质量分布不均匀，质量偏心会引起扭转，质量集中在周边也会加大扭转。

1.5.结构抗扭刚度弱。结构抗扭刚弱亦容易引起扭转破坏，结构应具有一定抗扭刚度。

2建筑结构抗扭措施

2.1从基本设计原则上重视概念设计对控制扭转效应的作用。所谓概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程。人们从大量震害经验中总结发现，“概念设计”往往比“计算设计”更重要。这主要是由于地震和地震效应的随机性和复杂性，以及计算模型和实际情况的差异，使得地震时造成建筑破坏的程度很难准确预测。因此，要进行精确的抗震计算是困难的，结构抗震性能在更大程度上取决于良好的“概念设计”。例如：选择建筑场地时，宜选择有利地段，应避开不利场地。在选择抗震结构体系时，应注意使其具有明确的计算简图和合理的地震作用转递路径。也可以增加结构超静定次数，设置人工塑性铰，利用框架填充区、耗能装置等设置多到抗震防线。

2.2建筑结构的预先布置。首先，控制结构的高宽比高层建筑中控制侧向位移常常成为结构设计的主要矛盾，而且随着高度增加，倾覆力矩也将迅速增大，因此，建造宽度很小的建筑物是不合适的。一般应将结构的高宽比控制在5～6以下，当设防烈度在8度以上时，高宽比限制应更严格一些。其次，结构的平面布置当建筑物长度较大时，在风力作用下，也会出现因风力不均匀及风向紊乱变化而引起的结构扭转、楼板平面挠曲等现象。为了避免楼板变形带来的复杂受力情况，建筑物长度应加以限制。当设防烈度为6度和7度时，长宽比不宜超过6；当设防烈度等于或大于8度时，长宽比不宜超过5。

2.3提高建筑结构的整体抗扭能力。借助材料力学抗扭刚度概念，高层建筑结构从整体分析角度出发，剪力墙按“均匀、分散、对称、周边”的原则布置外还应符合以下要求，在抗扭刚度角度上，剪力墙分量（主要是长度）丛外到里逐步减少，从抗侧移刚度角度上，剪力墙分量直线上均匀分布。由于转换层上下的剪切刚度比和建筑专业的限制，在无法增加落地剪力墙情况下，可在转换层以上的较长的墙肢中间开洞，这样可在扭转刚度降低不多情况下有效地降低转换层上层的剪切刚度，从而有效地降低剪切刚度比。

2.4提高建筑结构中抗扭设计的技术水平。

2.4.1合理布置抗侧力构件。水平地震动是一种双向现象，因此结构必须能抵抗任何方向的水平地震作用，合理的的布置抗侧力构件，不仅能调整结构的刚度分布，使其尽量均匀、分散、对称，使结构的质量中心和刚度中心接近，同时，还可以作为抗震设计的第一道防线，吸收主要的地震能量，避免主要结构构件的破坏。然而在实际工程中，由于质量位置和地震动的空间变化的不确定性，即使是对称的规则结构，实际上也是很难做到结构的质量中心和刚度中心的完全重合，存在有偶然偏心。因此，除侧向抗力和刚度以外，结构必须具有足够的扭转抗力和刚度，以限制在不同结构构件中产生不均匀应力的扭转震动的发展。为此，主要的结构抗震受力构件应靠近结构周边进行布置，并加大周边构件的截面，加大内筒与周边剪力墙主要连接构件的截面，增强结构整体性，从而有效增加抗侧刚度，减小层问侧向位移，以有效提高结构的抗扭转能力。

2.4.2正确设计楼板。楼板是整个房屋结构中一个不可缺少的部分，在水平地震作用下，如同水平隔板一样工作，不仅将惯性力集中并传递到竖向结构体系，还能保证竖向结构体系作为整体，共同抵抗水平地震作用。在竖向结构体系复杂，或非均匀布置，或与具有不同水平变形特征的双重体系一起使用时，楼板的作用就更为重要。因此，楼板体系应具有足够的平面内刚度和抗力，并与竖向结构体系有效的连接，尤其要注意楼板上下竖向构件刚度突变。例如，楼层平面形状不规则或特别狭长的楼板及其有大洞口的情况，尤其是当大洞口位于竖向结构附近对有效连接有影响时，为了保证楼板将设计地震作用下的效应传递给相连的各抗侧力构件，《结构抗震规范》中规定，隔板超强系数可取1.30。

2.4.3选择合适的基础。为使基础与上部结构的连接设计与施工方法能保证整个建筑均匀的承受水平地震作用，基础应具有良好的整体性。对于由离散的剪力墙组成的结构，考虑到在宽度和长度方向上刚度有差异，应选用由包括基础底板和盖板在内组成的箱式或筏板式基础，对于具有独立基础构件的建筑应沿两个主方向在构件之间采用基础底板或基础系梁。除了要满足基础整体性的要求，足够的基础埋深对于保证上部结构在地震作用下的整体稳定性，防止倾覆和滑移也起到了重要的作用。

2.4.4合理设置防震缝。高层建筑宜调整平面形状和结构布置，避免结构平面不规则；当建筑物平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置，使之成为较规则的结构时，可设置防震缝将其划分为较简单的几个结构单元。按照上面的措施方法，可以有效控制高层建筑结构的稳定性，保证结构具备有效抗扭能力，并有效提高建筑物抗震性能。扭转效应是空间的作用，在概念设计时应从结构的整体出发，应综合各种因素合理地布置结构的抗侧力构件是结构设计的关键所在。因此，高层建筑结构中扭转效应的控制和抗扭设计技术的提高不仅有利于结构安全体系的改善，而且是今后建筑结构研究发展的趋势。

结束语

高层建筑的结构破坏主要是由扭转引起的，因此，加强结构的抗扭刚度和抗扭性是降低建筑结构损伤程度的重要措施，也是结构设计的一个重要概念，扭转效应主要是由不合理的建筑布局造成的。因此，抗震设计应首先考虑合理的建筑布局，地震结构应尽量满足平面和立面简单对称的原则，并尽量减少凸面和凹面等复杂平面，平面刚度也应尽可能均匀。

参考文献

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[3]赵西安.世界最高建筑———迪拜哈利法塔结构设计和施工[A].第二十一届全国高层建筑结构学术交流会论文集[C].北京:中国建筑科学研究院，2010:29-39.