对于高层建筑结构中的抗扭设计的思考

摘　要：本文首先分析了导致高层建筑结构扭转的因素，并提出了高层建筑结构抗扭设计控制的方法、抗扭措施等，最后介绍了高层建筑结构抗扭设计注意事项。
关键词：高层建筑结构 ；抗扭设计； 抗扭措施； 注意事项
在出现地震自然灾害的时候，对于高层建筑结构，在经受平移作用的同时，还会经受剪切作用，出现绕刚度中心的扭转效应。许多震害研究说明，导致高层建筑结构发生损坏的关键因素即为扭转，不规则平面的结构容易导致扭转破坏，更可能导致整体倒塌。所以必须极其关注高层结构的扭转问题，更应该积极进行高层建筑结构中的抗扭设计的思考。

　　一、导致高层建筑结构扭转的因素
　　1.建筑结构的立面布置及平面布置
　　在地震区，高层建筑的立面尽可能运用梯形及矩形这些匀称的几何形状，不能运用存在忽然改变的立面形状，其由于形状发生突变，导致刚度及质量的大力改变，因此突变部位于地震的时候，由于塑性变形集中效应，使破坏更为严重。在地震区内，绝对不可存在大底盘建筑以及倒梯形建筑，然而这些建筑形式却较为普遍。对于倒梯形建筑，其建筑风格较为流行，然而强度、质量及刚度分布方面都不满足抗震设计原则，其上部质量大，但是下部质量小，导致重心变高，使倾覆力矩加大；上部刚度大，但是下部刚度小，使底层的薄弱程度相对加大。多数大底盘高层建筑，于低层裙房和高层主楼连接位置，极易产生刚度突变，致使主楼底部楼层变为相对柔弱的楼层，易于地震内，由于塑性变形集中效应，造成巨大破坏。 对于地震区中的高层建筑，适宜运用矩形、圆形或者方形平面，还能运用椭圆形、扇形、正六边以及正八边形。三角形平面即使看着较为对称、简便，然而不是顺着主轴方向进行对称，在地震的时候，容易出现比较大的扭转振动，因此地震区高层建筑的现状尽可能不运用三角形。同时最好也不用存在比较长翼缘的H 形、T 形、L 形、U 形、十字形以及Y 形平面，是由于这些平面出现地震的时候，极易出现差异侧移，导致震害更大。

　　2.扭转振动通常由下面两个因素导致
　　(1)建筑结构自身因素
　　在建筑结构的刚度中心未重合于质量中心的时候，能造成地震作用之下结构发生扭转振动。即使每层的刚心重合于质心，然而整个建筑的质心未处于同一轴线之上，能经受地面运动的扭转分量或者活荷载的偏心，还有另外繁琐因素的影响，也造成结构的扭转振动。导致扭转破坏的一关键原因即为平面刚度有没有均匀，同时剪力墙的布置对刚度能否均匀产生关键影响。
　　(2)外来作用
　　在地震的时候，地面质量之间存在着运动区别性，地面在出现平动分量的同时，还出现转动分量，后者造成结构发生扭转。然而因为地震观测繁琐的工作条件，扭转分量的一些理论及计算手段并未成熟，若干具体技术工作还未解决，因此当今的抗震规范均未提供地震扭转分量这一计算公式。然而在规范内，考虑了它的影响：在不对规则结构实施扭转耦联计算的时候，要把和地震作用方向平行的二边榀的地震作用效应与某合适的增大系数相乘，短边常为1.15，长边常为1.05，扭转刚度要是小，那么增大系数不能比1.3小。

　　二、高层建筑结构抗扭设计控制方法和抗扭措施
　　进行设计时，要尽可能进行结构扭转效应的改善，还应在构造上，运用一些措施减少扭转。
　　1.改善扭转效应
　　总之，应该做到削弱中间，还要加强周边。能由下面几点进行扭转效应的改善。对于建筑平面，其总体布置要对策、规则，有着优越的整体性；建筑的立面形状要保持规则，竖向抗侧力构件的形状尺寸以及材料强度应由上至下不断加大，防止承载力及刚度出现突变；进行远离质心位置剪力墙厚度的加大，进行结构平面布置的合理调节，尽可能保证刚心和质心接近，使偏心率变小；筒体刚度要是非常大，此时能加开结构洞，减少刚度偏心；在平面凹凸不规则位置，要增设拉梁或者拉接楼板；尽可能增大附近构件截面，增强结构外围墙、柱或者梁的刚度，恰当地削减结构中间墙及柱的刚度。进而加大整平面的抗扭刚度。
　　2.抗扭措施
　　针对建筑的实际高度，选用合适的结构类型。保证框架-剪力墙基础存在优良的刚度及整体性。在框架-剪力墙以及框架结构内，柱中线和剪力墙中线以及梁中线和柱中线间的偏心距不能太大，同时剪力墙及框架都要双向设置；调整之后的框架角柱的剪力设计值以及组合弯矩设计值还需要和某增大系数相乘，其值不能比1.1小；一级剪力墙的底部加强位置、之上一层的截面组合的弯矩设计值，要使用墙肢底部截面组合弯矩设计值，在另外部位，设计值要和增大系数1.2相乘；每级剪力墙底部加强位置的截面剪力墙设计值都要和对应的增大系数相乘，一、二以及三级的增大系数各自是1.6、1.4以及1.2；应该适宜加大角柱、边柱与剪力墙端柱的纵向钢筋面积。

　　三、高层建筑结构抗扭设计注意事项
　　1.结构的总体布置
　　(1)合理控制结构高宽比
　　在高层建筑内，进行侧向位移的控制往往是结构设计的重点矛盾，还由于高度变大，倾覆力矩也会快速变大，所以对于建造宽度非常小的建筑物，其不适宜。通常把结构的高宽比限制在5-6之下，在设防烈度高于8度的时候，要更为严格地限制高宽比。
　　(2)结构的竖向布置
　　对于结构的竖向布置，其要保持刚度均匀且连续，尽可能防止结构不连续或者刚度突变。在地震区内，不能运用完全通过框支剪力墙构成的底部存在软弱层的结构体系，还不能产生剪力墙于某层忽然中断而出现的中部存在软弱层的现象。
　　(3)结构的平面布置
　　在建筑物长度比较大的时候，经过风力的作用，常产生由于风力不匀称、风向紊乱改变而导致的楼板平面挠曲以及结构扭转的问题。为防止楼板变形造成的繁琐受力现象，要限制建筑物长度。在设防烈度达到6度及7度的时候，长宽比不能多于6；在设防烈度不小于8度的时候，长宽比不能多于5。不管是塔式，还是板式高层建筑，平面均要尽可能运用对称、规则及简单的形状，使扭转及复杂受力变少。应使结构的刚度中心重合于质量中心，进而减少扭转，一般地，偏心距不能高于垂直于外力作用线边长的0.05。
　　2.抗扭配筋构造
　　箍筋构造即使避免不了受扭构件的混凝土出现裂缝，然而配置合适的钢筋构造能限制构件处于运用荷载作用之下的裂缝宽，确保受力钢筋完全发挥作用，保证构件满足设计要求的承载能力，避免太 早的破坏。
　　(1)箍筋的设计强度
　　在当今，对于钢筋混凝土构件箍筋，常运用Ⅰ级光面钢筋以及冷拔低碳钢丝，在扭矩及剪力比较大的时候，运用Ⅱ级变形钢筋。针对Ⅰ级及Ⅱ级钢筋，规范进行规定的设计强度各自是210以及310MPa，均比美国规范进行规定的422.5MPa小。国内外的一些抗扭试验证明，Ⅰ级以及Ⅱ级钢的箍筋能根据设计要求，完全发挥出它的屈服强度。
　　(2)纵筋的直径以及间距
　　由于扭矩作用，纵筋重点承受拉力以及销栓力，对于角部纵筋，其还经受着斜压力造成的外推力。基于我国的具体工程，通常纵筋的直径不能比10mm小，偶尔也会运用8mm的，为正确制约裂缝宽，纵筋间距不能比300mm大。
　　(3)抗扭钢筋的配置范围
　　许多试验证明，受扭构件的纵筋一定要和箍筋一起工作，这样能完全发挥出抗扭设计强度具有的作用。所以对于抗扭箍筋配置范围的延伸长度，能选用纵筋的延伸长度。
　　四、结语
　　高层建筑设计人员在实施高层建筑结构设计的时候，必须极其关注建筑结构的扭转问题，把握结构扭转出现的因素，掌握结构扭转性质，熟悉扭转理论。重点所在依然是应大力考虑每个方面的影响因素，搞好计算以及校核，根据建筑的实际特征以及薄弱点，积极给出建筑结构的抗扭设计措施，确保高层建筑可以抵制地震等自然灾害。
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