綜述當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗扭抗震要點

張磊　王濤

【摘 要】地震給人類帶來的災(zāi)難除了房屋倒塌，掩埋人類財務(wù)以外，還會砸傷和圍困人類，嚴(yán)重威脅人類生命。然而近幾年來，我國多個地區(qū)開始頻繁發(fā)生地震，房屋倒塌、山洪崩裂等對人類的生命和財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的影響。為了減少地震的影響災(zāi)害，鞏固建筑物的結(jié)構(gòu)骨架，提高建筑物的施工質(zhì)量，現(xiàn)對建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗扭抗震要點作詳細(xì)探析，供相關(guān)人員參考。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗扭要點；抗震要點；探析

近年來，國內(nèi)多個地區(qū)地震頻發(fā)。多項研究結(jié)果表明，對于在地震中發(fā)生倒塌的建筑物來說，其之所以發(fā)生倒塌的主要原因是因為地震不僅給建筑施加了平移和剪切作用，還給予了建筑一個扭轉(zhuǎn)力。這個扭轉(zhuǎn)力便剛好是影響并破壞建筑結(jié)構(gòu)，甚至造成建筑倒塌的罪魁禍?zhǔn)?。既然清楚了建筑在地震中倒塌的原因，那么為了防止在以后的自然?zāi)害中再次出現(xiàn)建筑倒塌現(xiàn)象，我們需要從建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，以克服扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和平移剪切作用為目的，設(shè)計出抗震抗扭的建筑結(jié)構(gòu)，提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。下面對建筑抗扭抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點作詳細(xì)論述。

1.引起建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的因素

研究表明，建筑結(jié)構(gòu)，尤其是高層建筑結(jié)構(gòu)變形、破壞，甚至倒塌現(xiàn)象的原因大多是因為扭轉(zhuǎn)引起的，因此，為了保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高建筑整體質(zhì)量，就必須在設(shè)計施工中加強建筑結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力。而對于引起建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的因素主要包括：

1.1外界因素的干擾

以地震為例，一般來說，處于震區(qū)的建筑都會在地震發(fā)生時產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。這是因為地震發(fā)生時，由于地殼運動，地面會隨之進(jìn)行運動，這時地面不僅會產(chǎn)生平動分量，還會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動分量，而地面在運動中所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動分量便是引起地面建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)的主要原因。鑒于此，針對外界干擾這一影響因素，我們大可采用計算出地面運動分量和地震扭轉(zhuǎn)分量，并在此基礎(chǔ)上加強建筑主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，提高建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方式，來避免建筑扭轉(zhuǎn)的發(fā)生。但實際情況卻是，由于我國地震觀測技術(shù)不足，觀測條件復(fù)雜，所以對地面運動分量和地震扭轉(zhuǎn)分量的計算工作并不能得到有效實施，從而使得國內(nèi)現(xiàn)有的抗震規(guī)范不完整。

1.2建筑結(jié)構(gòu)本身原因

除了外界因素的干擾之外，建筑結(jié)構(gòu)本身也可能是引起建筑扭轉(zhuǎn)的主要原因之一。通常情況下，地震發(fā)生時，建筑結(jié)構(gòu)除了會受到平移方向上的剪切作用以外，還會因地面運動和扭轉(zhuǎn)而圍繞結(jié)構(gòu)剛度中心發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而造成結(jié)構(gòu)破壞。如果不考慮地震扭轉(zhuǎn)分量的影響，假設(shè)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剛度中心沒有和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心重合，那么該建筑結(jié)構(gòu)必然會因自身重力原因而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。又或者，建筑結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心重合了，但是兩者并不在同一軸線上，在這時，如果地面存在運動分量和扭轉(zhuǎn)分量，該建筑結(jié)構(gòu)仍然會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。由此來看，如果要在建筑結(jié)構(gòu)本身上找原因，那么建筑結(jié)構(gòu)剛度的均勻與否便是決定建筑結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生扭轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。

2.結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的性質(zhì)

高層建筑結(jié)構(gòu)在地震荷載作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞時，會加大建筑抗推剛度較弱的一側(cè)的位移，并使其剪力增加，破壞程度加重，如果建筑的每層平面布置不盡相同，有些柱子上、下錯位或形狀和長邊方向改變，這樣可能造成地震時底層柱折斷而導(dǎo)致上層整體塌落。當(dāng)結(jié)構(gòu)平面形狀不規(guī)則時，產(chǎn)生破壞時交叉斜裂縫的寬度可達(dá)100mm。對單一受扭構(gòu)件的破壞的研究表明，少筋及超筋構(gòu)件以脆性形式破壞，而且破壞是突發(fā)性的，沒有明顯塑性變形，而適筋受扭構(gòu)件以延性形式破壞，破壞具有明顯的塑性變形過程。

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)設(shè)計控制方法及措施：引發(fā)高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動的因素眾多，包括地面的運動、建筑物質(zhì)量和剛度分布的不均勻、計算分析的誤差以及抗扭構(gòu)件的脆性破壞等，這些使得扭轉(zhuǎn)振動在所難免。在設(shè)計中應(yīng)盡量改善結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，并在構(gòu)造上采取一定措施來減小扭轉(zhuǎn)。

3.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震抗扭要點分析

3.1建筑結(jié)構(gòu)的平面和立面布置

3.1.1平面布置

地震區(qū)的高層建筑，最好采用圓形、方形或矩形平面，橢圓形、扇形、正六邊形、正八邊形也可以采用。雖然三角形平面看起來也比較簡單和對稱，但它并非沿主軸方向都對稱，地震時也易產(chǎn)生較強的扭轉(zhuǎn)振動，所以地震區(qū)高層建筑的現(xiàn)狀盡量避免采用三角形。此外，帶有較長翼緣的L形、U形、H形、T形、十字形、Y形平面也不宜采用，因為此類平面在地震時容易發(fā)生差異側(cè)移而使震害加重。

3.1.2立面布置

地震區(qū)高層建筑的立面也盡量采用矩形和梯形等均勻的幾何形狀，不宜采用帶有突然變化的立面形狀，因為形狀突變會引起質(zhì)量和剛度的劇烈變化，致使該突變部位在地震時因塑性變形集中效應(yīng)而加重破壞。在地震區(qū)尤其不宜出現(xiàn)倒梯形建筑和大底盤建筑，但這兩種建筑形式是比較流行的。倒梯形建筑雖然建筑風(fēng)格比較時尚，但其在質(zhì)量、剛度和強度分布上均不符合抗震設(shè)計原則，它的上部質(zhì)量大而下部質(zhì)量小，使得重心偏高，增加了傾覆力矩：上部剮度大而下部剛度小，相對增大了底層的薄弱程度。許多大底盤高層建筑，在低層裙房與高層主樓相連處容易引起剛度突變，使主樓底部樓層變成相對柔弱的樓層，容易在地震中因塑性變形集中效應(yīng)而導(dǎo)致嚴(yán)重破壞。

3.2改善扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

總的來說，就是要做到削弱中間、加強周邊。具體可從以下幾個方面來改善扭轉(zhuǎn)效應(yīng)：

（1）建筑平面總體布置應(yīng)規(guī)則、對稱，具有良好的整體性。

（2）建筑的立面形狀應(yīng)規(guī)則，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的材料強度和形狀尺寸從上到下應(yīng)逐漸增加，避免其剛度和承載力突變。

（3）增加遠(yuǎn)離質(zhì)心處的剪力墻厚度，盡量使剛心接近質(zhì)心，減小偏心率。

（4）平面凹凸不規(guī)則處應(yīng)加拉梁或增設(shè)拉接樓板。

（5）盡量加大周邊構(gòu)件截面，以增加整個平面的抗扭剛度。

3.3抗扭措施

（1）根據(jù)建筑具體高度來選擇適宜的結(jié)構(gòu)類型。

（2）確?？蚣芤患袅A(chǔ)具有良好的整體性和剛度。

（3）框架結(jié)構(gòu)和框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，梁中線與柱中線、柱中線與剪力墻中線之間的偏心距不宜過大，并且框架和剪力墻均應(yīng)雙向設(shè)置。

（4）剪力墻的設(shè)置宜貫通房屋全高，其橫向與縱向墻體應(yīng)相連：較長房屋中的縱向剪力墻不宜設(shè)置在端開間，應(yīng)設(shè)置在墻面不需開大洞口的位置.剪力墻上的洞口宣上下對齊。

（5）調(diào)整后的框架的角柱的剪力設(shè)計值和組合彎矩設(shè)計值還應(yīng)乘以一個增大系數(shù)，并且其值不小于1.1。

（6）一級剪力墻的底部加強部位及以上一層的截面組合的彎矩設(shè)計值，應(yīng)采用墻肢底部截面組合彎矩設(shè)計值，而其余部位設(shè)計值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.2。

（7）各級剪力墻底部加強部位的截面剪力墻設(shè)計值均應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)，一、二、三級的增大系數(shù)分別為1.6、1.4、1.2。

4.結(jié)束語

總而言之，扭轉(zhuǎn)振動是引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)倒塌的直接因素。建筑設(shè)計和施工人員在進(jìn)行建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，務(wù)必要對建筑結(jié)構(gòu)的抗震抗扭設(shè)計加以重視。只有在了解和熟悉了建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)原因以及扭轉(zhuǎn)性質(zhì)以后，才能通過研究和探索來掌握相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)理論和扭轉(zhuǎn)分量的計算方法，并在其基礎(chǔ)之上，采取積極、有效的措施對建筑結(jié)構(gòu)所發(fā)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行控制，達(dá)到提高建筑抗戰(zhàn)抗扭能力，保障人們生命和財產(chǎn)安全的的目的。 [科]

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