研究高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

田曉強(qiáng)

摘 要：針對(duì)目前高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)問(wèn)題，文章分析了其實(shí)際應(yīng)用重要性以及控制方法，其目的是為相關(guān)建設(shè)者提供一些理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；抗扭設(shè)計(jì)；地震扭轉(zhuǎn)；抗扭配筋

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程不斷加快，建筑業(yè)迎來(lái)了發(fā)展的契機(jī)。高層建筑就是這一時(shí)期所衍生出來(lái)的主要建筑形式之一，在對(duì)其進(jìn)行抗扭設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于其容易受外部因素以及內(nèi)部因素的影響?；诖?，相關(guān)建設(shè)者提出了結(jié)構(gòu)總體布置的方法，這是提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)作用效果的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)者應(yīng)將其重視起來(lái)，并將研究成果應(yīng)用于實(shí)際建設(shè)，這是保證我國(guó)建筑業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)重要性

由于高層建筑的建設(shè)樓層高，這就使其受地震的影響大。而結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)，具體來(lái)說(shuō)就是當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生延性，進(jìn)而使其進(jìn)入塑性階段來(lái)抵抗地震所帶來(lái)的影響。在以往的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大多采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土、較大截面尺寸的預(yù)制板構(gòu)件，來(lái)保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，隨著高層建筑的普及、結(jié)構(gòu)跨度的不斷增大以及結(jié)構(gòu)抗震效果的提高，使得扭轉(zhuǎn)逐漸成為決定高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用安全性的關(guān)鍵。就目前來(lái)說(shuō)，扭轉(zhuǎn)問(wèn)題出現(xiàn)的形式主要有兩種，分別是：協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)和平衡扭轉(zhuǎn)。其中協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的出現(xiàn)，是因?yàn)橄噜彉?gòu)件的彎曲轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)受到支撐構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度影響。而平衡扭轉(zhuǎn)問(wèn)題出現(xiàn)是由于平衡條件變化所帶來(lái)的。此外，如果按照高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受扭特性劃分，扭轉(zhuǎn)問(wèn)題可分為翹曲約束扭轉(zhuǎn)以及自由扭轉(zhuǎn)。上述幾種高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，都會(huì)給建筑工程的建設(shè)使用埋下安全隱患。因而，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)將抗扭設(shè)計(jì)作為提高高層建筑質(zhì)量的重要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容。只有這樣才能使高層建筑以其作用優(yōu)勢(shì)快速的發(fā)展建設(shè)下去。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗扭設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

2.1 地震扭轉(zhuǎn)發(fā)生的偶然性

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)中，地面發(fā)生的扭轉(zhuǎn)運(yùn)用是引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的主要因素。（這里指的地面扭轉(zhuǎn)是地震）然而，就目前來(lái)說(shuō)，相關(guān)研究人員對(duì)于造成地面扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的強(qiáng)震監(jiān)測(cè)記錄很少。而且，并沒(méi)有相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)手段能夠通過(guò)直接輸入地面運(yùn)動(dòng)扭轉(zhuǎn)作用的方式，來(lái)研究地震對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響。因而，這就使得高層建筑結(jié)構(gòu)地面運(yùn)動(dòng)扭轉(zhuǎn)的發(fā)生具有一定的偶然性。這樣一來(lái)，研究人員就可以通過(guò)增加對(duì)偶然偏心作用方面進(jìn)行計(jì)算研究，來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，設(shè)計(jì)人員在對(duì)高層建筑進(jìn)行抗扭設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮到結(jié)構(gòu)本身所具備的偶然因素。具體來(lái)說(shuō)，偶然因素主要體現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)使用期間的質(zhì)量變化隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算的局限性、應(yīng)用材料性質(zhì)的離散性以及構(gòu)造變化等。這些偶然因素都會(huì)導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)出現(xiàn)不對(duì)稱、不均勻的問(wèn)題。

2.2 結(jié)構(gòu)自身的抗扭特性

高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是，能否控制好其結(jié)構(gòu)的作用質(zhì)量、剛度以及布局。除了設(shè)計(jì)因素外，會(huì)給高層建筑整體結(jié)構(gòu)造成影響的還有結(jié)構(gòu)自身所具備的抗扭特性。具體主要在：結(jié)構(gòu)的立面和平面形狀的規(guī)則性上、豎向和平面的作用質(zhì)量、相應(yīng)的抗扭剛度強(qiáng)弱以及剛度分布的均勻性等。在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)立面和平面形狀的規(guī)則性進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)立面與平面的特征尺寸作為實(shí)際控制的比例特征。而影響結(jié)構(gòu)自身抗扭特性的剛度和質(zhì)量分布均勻性問(wèn)題，可采用剛心和質(zhì)心的偏心率來(lái)進(jìn)行衡量。對(duì)于抗扭剛度的強(qiáng)弱問(wèn)題，可通過(guò)結(jié)構(gòu)的基本扭轉(zhuǎn)周期與其基本平動(dòng)周期的比值來(lái)進(jìn)行體現(xiàn)。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用問(wèn)題

由于高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)體現(xiàn)類型是扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與平動(dòng)效應(yīng)的耦聯(lián)反應(yīng)。一些具有抗震規(guī)范的國(guó)家，在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震規(guī)范中加有一條結(jié)構(gòu)偏心率放大系數(shù)的要求。這樣一來(lái)，設(shè)計(jì)人員就必須在抗扭設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出控制平移振動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)周期之間相互作用所產(chǎn)生的作用放大問(wèn)題?；诖诵в?，我國(guó)相關(guān)管理部門應(yīng)將其重視起來(lái)，不能放任平移振動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)周期問(wèn)題持續(xù)接近下去，否則將使其相互之間的作用力越來(lái)越大?，F(xiàn)階段，我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)定中雖然沒(méi)有此項(xiàng)要求，但通過(guò)控制平動(dòng)周期和扭轉(zhuǎn)周期的比值，來(lái)降低建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)所帶的振動(dòng)增大影響問(wèn)題。此外，高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)定，抗扭設(shè)計(jì)要對(duì)樓層最大層間的位移角處及其位移比進(jìn)行直接控制，以降低結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

3 解決高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)問(wèn)題的策略

3.1 抗扭配筋的構(gòu)造選擇

據(jù)相關(guān)研究表明，只有將受扭轉(zhuǎn)的高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的縱筋與箍筋共同作用，才能是抗扭設(shè)計(jì)發(fā)揮出增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。所以，抗扭箍筋的配置的延伸長(zhǎng)度范圍，應(yīng)與縱筋的延伸長(zhǎng)度保持一致。此外，高層建筑結(jié)構(gòu)在扭矩的作用下，縱筋主要受到的是拉力和銷栓力。而且，角部的縱筋，除了要承受斜壓力導(dǎo)致的外推力外，還要將縱筋的直徑設(shè)計(jì)在10mm以下。為避免結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)寬度的增大，要將縱筋間的間距處控制在300mm以內(nèi)。對(duì)于箍筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)內(nèi)容，相關(guān)建設(shè)者應(yīng)將鋼筋混凝土的箍筋采用冷拔低碳鋼絲以及一級(jí)的光面鋼筋。對(duì)于結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)處在剪力和扭矩較大的情況下，應(yīng)采用二級(jí)變形的鋼筋。這里指的一、二級(jí)鋼筋是指，其設(shè)計(jì)壓強(qiáng)為210Mpa和310Mpa.

3.2 提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體布置效果

首先，抗扭設(shè)計(jì)人員要將平面布置進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度較大時(shí)，且處在風(fēng)向不穩(wěn)以及風(fēng)力不均勻的情況下，這就使得建筑結(jié)構(gòu)容易受到樓板平面撓曲以及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)等問(wèn)題的影響。為解決這一問(wèn)題，可適當(dāng)?shù)目刂平ㄖ锏拈L(zhǎng)度。例如，當(dāng)設(shè)計(jì)防烈度≧8時(shí)，建筑物結(jié)構(gòu)的高寬比不能超過(guò)5；當(dāng)設(shè)計(jì)防烈度為6或7時(shí)，則要將建筑結(jié)構(gòu)的高寬比控制在6以內(nèi)。而且，不論是塔式還是板式的高層建筑結(jié)構(gòu)，其平面總體布置都應(yīng)盡可能的采用對(duì)稱和相對(duì)簡(jiǎn)單的形狀。其次，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的豎向布置，要保證其剛度處在連續(xù)而均勻的狀態(tài)下。此外，如果高層建筑物的建設(shè)地點(diǎn)處在地震區(qū)內(nèi)，那么抗扭設(shè)計(jì)則不能采用框支剪力墻來(lái)作為結(jié)構(gòu)體系的底部位置，這是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。最后，對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比設(shè)計(jì)，在通常情況下應(yīng)控制在5-6之間。如果結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度>8度時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)人員應(yīng)更加嚴(yán)格限制高寬比的總體布置效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)受地震影響主要因素。為提高高層建筑結(jié)構(gòu)的使用安全性，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)將抗扭設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際建設(shè)。然而，由于抗扭設(shè)計(jì)容易受地震扭轉(zhuǎn)的偶然性以及自身結(jié)構(gòu)問(wèn)題的影響，這就在一定程度上影響了其抗扭作用的發(fā)揮。針對(duì)這一問(wèn)題，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)在明確實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題基礎(chǔ)上，來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制。

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（12）：1-6.

[2] 謝偉.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)中的抗扭設(shè)計(jì)[J].建筑設(shè)計(jì)管理，2009（12）： 46-48.

[3] 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 （18）：51-53.

[4] 費(fèi)慶華.高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)[J].建設(shè)科技，2010（17）：74-75.