高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)的初步探討

1.身份證號(hào)碼：320923197911036339；2.身份證號(hào)碼：342626198611130174

摘要：地震中，高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，進(jìn)而造成高層建筑的損壞，因而高層建筑的抗震能力的高低直接取決于建筑結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力，高層建筑的抗扭設(shè)計(jì)是提升建筑抗震能力的關(guān)鍵。本文基于高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)類型，分析研究高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的因素，論述探討高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；水平力作用；結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；抗扭設(shè)計(jì)

地震中，高層建筑結(jié)構(gòu)除了受到平移和剪切作用的影響，還會(huì)受到其水平力作用下發(fā)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外地震頻發(fā)，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力的提升越來(lái)越受社會(huì)及人民的關(guān)注。根據(jù)這些震害分析可知，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在很大程度上決定著高層建筑的損壞程度，其中平面不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更加容易，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致高層建筑的整體塌陷；也就是說(shuō)，同一次地震中，兩幢結(jié)構(gòu)分布不同的建筑受到的損壞程度也會(huì)不同。例如，采用抗扭設(shè)計(jì)中的對(duì)稱外框內(nèi)筒設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高層建筑受到的損壞程度必定比結(jié)構(gòu)布置不對(duì)稱的高層建筑受到的損害程度更低，2008年汶川大地震的震害分析也很好地證明了這一點(diǎn)。因此，為提升高層建筑的勘正能力，高層建筑在地震中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)必須納入設(shè)計(jì)考慮范疇，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)必須予以重視。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)類型

（一）結(jié)構(gòu)扭矩形成原因

地震發(fā)生時(shí)，根據(jù)高層建結(jié)構(gòu)扭矩形成的原因，高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)可以分為平衡扭轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)兩種。其中，平衡扭轉(zhuǎn)是結(jié)構(gòu)在承受平衡條件下的受力作用而發(fā)生的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，如支撐懸臂板的梁在外扭矩作用下的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)是高層建筑相鄰結(jié)構(gòu)的彎曲扭轉(zhuǎn)在支撐結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的約束下發(fā)生的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，如邊梁因樓面梁支撐點(diǎn)的彎曲轉(zhuǎn)動(dòng)下的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。

（二）結(jié)構(gòu)受扭性質(zhì)

地震中，根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的受扭性質(zhì)，高層建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)包括自由扭轉(zhuǎn)和翹曲約束扭轉(zhuǎn)兩種。自由扭轉(zhuǎn)，顧名思義，是指結(jié)構(gòu)在承受扭矩作用時(shí)，結(jié)構(gòu)各個(gè)截面并未受到約束的情況下發(fā)生的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，此時(shí)結(jié)構(gòu)截面上只存在剪應(yīng)力的作用。相對(duì)應(yīng)地，翹曲約束扭轉(zhuǎn)是指結(jié)構(gòu)各個(gè)截面受到不同程度的約束作用而發(fā)生的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，此時(shí)結(jié)構(gòu)截面上不僅僅存在剪應(yīng)力的單向作用，同時(shí)也存在正應(yīng)力的相互作用。

二、高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的因素

通常而言，不考慮結(jié)構(gòu)支點(diǎn)的各自地震動(dòng)的情況下，高層建筑在水平力作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的因素主要包括外部因素即地震的外加扭轉(zhuǎn)輸入和內(nèi)部因素即結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量中心和剛度中心存在偏移兩類，間或存在施工過(guò)程中的偶然偏心現(xiàn)象。其中，外部因素上，地震外加扭轉(zhuǎn)輸入通常是指因地面質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)差別性而造成的地震動(dòng)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)分量，這些分量迫使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。內(nèi)部因素上，當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心存在偏移時(shí)，兩者的不重合極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，均會(huì)受到豎向荷載和水平荷載的影響，其中水平荷載是決定因素，決定著建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)容易程度；高層建筑中水平荷載受水平力作用，產(chǎn)生的側(cè)移和內(nèi)部作用力隨著高層建筑寬度的增加而加大，也會(huì)致使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生軸向變形，因此，高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)中，水平力作用下的水平荷載處于主要地位，是控制結(jié)構(gòu)側(cè)移和軸向變形的關(guān)鍵，是結(jié)構(gòu)延伸性提升的依據(jù)指標(biāo)，是高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)的重中之重。

三、高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)

地震發(fā)生過(guò)程中，高層建筑結(jié)構(gòu)在水平力作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)有各方各面的因素，主要包括地面的震動(dòng)、建筑物質(zhì)量中心和剛度中心的不重合、設(shè)計(jì)時(shí)建筑計(jì)算分析的誤差以及抗扭結(jié)構(gòu)的脆性破壞等。為提升高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，這些迫使高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的因素，需要被納入建筑圖紙?jiān)O(shè)計(jì)上的考慮范疇，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量弱化乃至于避免結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，采取科學(xué)可行的抗扭措施，以期實(shí)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的弱化，甚至避免地震中建筑結(jié)構(gòu)的倒塌現(xiàn)象。

（一）扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的改善

為改善高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中依據(jù)規(guī)則、對(duì)稱的設(shè)計(jì)總原則，全面考慮建筑的高寬比、平面結(jié)構(gòu)布置、豎向結(jié)構(gòu)布置以及立面結(jié)構(gòu)布置等建筑平面的總體布置。第一，在高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比上，側(cè)向位移的控制是高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行高寬比確定的關(guān)鍵。第二，在高層建筑結(jié)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)布置上，要考慮風(fēng)力作用下的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、樓板平面撓曲現(xiàn)象發(fā)生的原因，盡量避免結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心和剛度中心的偏移現(xiàn)象。第三，在高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向結(jié)構(gòu)布置上，童謠要注意結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度的均勻連續(xù)分布，加強(qiáng)底板結(jié)構(gòu)剛度體系，避免建筑豎向結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)軟弱層。第四，在高層結(jié)構(gòu)的立面結(jié)構(gòu)布置上，多采用矩形或梯形等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的幾何圖形，保證立面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗扭性。

（二）抗扭措施的實(shí)施

在制定高層建筑的抗扭措施時(shí)，前提是全面了解高層建筑結(jié)構(gòu)的自身特性以及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的相關(guān)理論知識(shí)；例如，確保并提升框架-剪力墻基礎(chǔ)的良好整體性和剛度的科學(xué)依據(jù)，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的設(shè)置原理，相關(guān)設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法等。具體而言，高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭措施的制定主要是指抗扭配筋的構(gòu)造，包括箍筋的形式、間距、設(shè)計(jì)強(qiáng)度，縱筋的直徑和間距，抗扭鋼筋的配置范圍；也就是說(shuō)，箍筋必須是封閉式的，箍筋的間距不得超過(guò)截面寬度，箍筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度以設(shè)計(jì)要求為標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下縱筋的直徑要超過(guò)10㎜并且間距必須小于300㎜，抗扭鋼筋的配置范圍依據(jù)縱筋的延伸長(zhǎng)度選定。

結(jié)束語(yǔ)

高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)是設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)，也是決定建筑損害程度的重要因素，因此，高層建筑設(shè)計(jì)人員在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要高度重視結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)，掌握建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的具體原因，設(shè)計(jì)中充分考慮扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)各方面的影響因素，做好設(shè)計(jì)前的計(jì)算校核工作，結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)，針對(duì)設(shè)計(jì)中薄弱環(huán)節(jié)對(duì)癥下藥，制定高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)措施，提升高層建筑的抗震能力，盡可能地消除人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的威脅因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐培福，黃吉鋒，陳富盛.高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014.

[2]姚立華.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)中的抗扭設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010.

[3]郭帥喆，趙俊.淺談設(shè)計(jì)中對(duì)于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的解決方法[J].中國(guó)科技投資，2012.

[4]彭道強(qiáng)，賴龍威，郭鐘群，柯勇.高層建筑的扭轉(zhuǎn)破壞機(jī)理與抗扭措施[J].銅業(yè)工程，2011.