浅谈高层建筑抗扭设计

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　　摘要：本文主要论述了建筑结构中引起结构扭转的性质、因素和扭转设计控制方法及措施四个方面，供大家参考借鉴。
　　 关键词：高层建筑；抗扭设计
　　Abstract: This article mainly discusses the torsion nature, factors and reverse design and control measures these four respects in the architecture structure, for your reference.
　　Key words: high-rise building; torsion resistance design
　　
　　 中图分类号：TU7文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
　　
　　 扭转效应是建筑遭受震害的重要因素之一，建筑设计工作者在对高层建筑进行结构设计时，一定要充分重视建筑结构的扭转问题，熟悉结构扭转产生的原因，了解结构扭转的性质，并掌握扭转的理论和计算方法。最关键的还是要充分考虑各方面的影响因素，做好计算和校核工作，根据建筑的具体特点，针对薄弱点，做好建筑结构的抗扭设计措施，使高层建筑能经得起地震的考验，保障人民的生命财产安全。
　　1 高层建筑结构扭转的性质
　　 高层建筑结构在地震荷载作用发生扭转破坏时，会加大建筑抗推刚度较弱的一侧的位移，并使其剪力增加，破坏程度加重。如果平面的刚度不均匀，一端刚度很大，另一端只有刚度很小的柱子，地震荷载作用下发生扭转，导致没有剪力墙的一端柱子塌落而使楼板也跟着塌下。若每个结构单元两端之问的质量和刚度相差悬殊，也会在地震作用下产生扭转，造成钢筋混凝土柱出现交叉裂缝。如果建筑的每层平面布置不尽相同，有些柱子上、下错位或形状和长边方向改变，这样可能造成地震时底层柱折断而导致上层整体塌落。当结构平面形状不规则时，产生破坏时交叉斜裂缝的宽度可达100mm。对单一受扭构件的破坏的研究表明，少筋及超筋构件以脆性形式破坏，而且破坏是突发性的，没有明显塑性变形，而适筋受扭构件以延性形式破坏，破坏具有明显的塑性变形过程。但对于整体结构发生扭转破坏来讲，破坏是具有突发性的，塑性变形量较小，属脆性破坏范畴。
　　2 引起结构扭转的因素
　　 2.1 建筑结构扭转振动原因
　　 2.1.1 外来干扰
　　 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，所以目前的抗震规范都没有考虑地震扭转分量的计算。但我国规范中考虑了其影响：当不对规则结构进行扭转耦联计算时，应将平行于地震作用方向的两个边榀的地震作用效应乘以一个适当的增大系数，通常短边可取1.15，长边可取1.05，若扭转刚度较小，则增大系数不宜小于1.3。
　　 2.1.2 建筑结构本身因素
　　 当建筑结构的刚度中心没有与质量中心重合时，会导致地震作用下结构的扭转振动。就算各层的刚心与质心重合，但建筑整体的质心不在同一轴线上，也会受到地面运动的扭转分量、活荷载的偏心及其他复杂因素的影响，也会引起结构的扭转振动。造成扭转破坏的一个重要原因是平面刚度是否均匀，而剪力墙的布置是影响刚度是否均匀的主要因素。
　　 2.2 建筑结构的平面和立面布置
　　 2.2.1 平面布置
　　 地震区的高层建筑，最好采用圆形、方形或矩形平面，椭圆形、扇形、正六边形、正八边形也可以采用。虽然三角形平面看起来也比较简单和对称，但它并非沿主轴方向都对称，地震时也易产生较强的扭转振动，所以地震区高层建筑的现状尽量避免采用三角形。此外，带有较长翼缘的L形、U形、H形、T形、十字形、Y形平面也不宜采用，因为此类平面在地震时容易发生差异侧移而使震害加重。
　　 2.2.2 立面布置
　　 地震区高层建筑的立面也尽量采用矩形和梯形等均匀的几何形状，不宜采用带有突然变化的立面形状，因为形状突变会引起质量和刚度的剧烈变化，致使该突变部位在地震时因塑性变形集中效应而加重破坏。在地震区尤其不宜出现倒梯形建筑和大底盘建筑，但这两种建筑形式是比较流行的。倒梯形建筑虽然建筑风格比较时尚，但其在质量、刚度和强度分布上均不符合抗震设计原则，它的上部质量大而下部质量小，使得重心偏高，增加了倾覆力矩；上部刚度大而下部刚度小，相对增大了底层的薄弱程度。许多大底盘高层建筑，在低层裙房与高层主楼相连处容易引起刚度突变，使主楼底部楼层变成相对柔弱的楼层，容易在地震中因塑性变形集中效应而导致严重破坏。
　　3 高层建筑结构扭转设计控制方法及措施
　　 引发高层建筑结构的扭转振动的因素众多，包括地面的运动、建筑物质量和刚度分布的不均匀、计算分析的误差以及抗扭构件的脆性破坏等，这些使得扭转振动在所难免。在设计中应尽量改善结构扭转效应，并在构造上采取一定措施来减小扭转。
　　 3.1 改善扭转效应
　　 总的来说，就是要做到削弱中间、加强周边。具体可从以下几个方面来改善扭转效应：
　　 3.1.1 建筑平面总体布置应规则、对称，具有良好的整体性。
　　 3.1.2 建筑的立面形状应规则，竖向抗侧力构件的材料强度和形状尺寸从上到下应逐渐增加，避免其刚度和承载力突变。
　　 3.1.3 增加远离质心处的剪力墙厚度，尽量使刚心接近质心，减小偏心率。
　　 3.1.4 若简体刚度很大，则可加开结构洞以减小刚度偏心。
　　 3.1.5 平面凹凸不规则处应加拉梁或增设拉接楼板。
　　 3.1.6 尽量加大周边构件截面，以增加整个平面的抗扭刚度。
　　 3.2 抗扭措施
　　 3.2.1 根据建筑具体高度来选择适宜的结构类型。
　　 3.2.2 确保框架一剪力墙基础具有良好的整体性和刚度。
　　 3.2.3 框架结构和框架一剪力墙结构中，梁中线与柱中线、柱中线与剪力墙中线之间的偏心距不宜过大，并且框架和剪力墙均应双向设置。
　　 3.2.4 剪力墙的设置宜贯通房屋全高，其横向与纵向墙体应相连；较长房屋中的纵向剪力墙不宜设置在端开间，应设置在墙面不需开大洞口的位置，剪力墙上的洞口宜上下对齐。
　　 3.2.5 调整后的框架的角柱的剪力设计值和组合弯矩设计值还应乘以一个增大系数，并且其值不小于1.1。
　　 3.2.6 剪力墙的底部加强部位及以上一层的截面组合的弯矩设计值，应采用墙肢底部截面组合弯矩设计值，而其余部位设计值应乘以增大系数1.2。
　　 3.2.7 各级剪力墙底部加强部位的截面剪力墙设计值均应乘以相应的增大系数，一、二、三级的增大系数分别为1.6、1.4、1.2。
　　 3.2.8 控制好建筑的高宽比，不应使这一值过大，基础埋深应达到一定的限值。
　　 3.2.9 适当增大边柱、角柱及剪力墙端柱的纵向钢筋面积。
　　4 结语
　　 高层建筑结构破坏大多是由扭转所导致的，因此加强结构的抗扭刚度和抗扭能力是减小建筑结构震害程度的重要措施，也是结构设计的一个重要概念。扭转效应大多是由建筑布置不合理而产生的，因此抗震设计中首先要考虑合理的建筑布置，抗震结构应尽量满足平、立面简单对称的原则，尽量减少凸出和凹进等复杂平面，还应尽可能使平面刚度均匀。
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　　［4］ 平面不规则结构设计探讨［A］． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文［C］． 2008．

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