高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗扭設(shè)計(jì)探究

彭杰

廣西華藍(lán)工程管理有限公司 廣西 南寧 530000

1 高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)因素分析

（1）外界因素干擾。地震發(fā)生時(shí)，地面間的差異運(yùn)動(dòng)，使地面一起發(fā)生平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)分量，而也正是由于地面間的轉(zhuǎn)動(dòng)分量使建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)變形。但因地震觀測(cè)的復(fù)雜程度，以致關(guān)于扭轉(zhuǎn)分量的計(jì)算方式不完善、理論體系不成熟，因此，在建筑抗震規(guī)范內(nèi)還未對(duì)扭轉(zhuǎn)分量的計(jì)算進(jìn)行考慮。但卻在規(guī)范中考慮了其可能會(huì)產(chǎn)生的影響：在對(duì)不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)未開展扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算時(shí)，需將與地震作用方向平行的兩個(gè)邊榀的地震作用效應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)，取值多為短邊1.15，長(zhǎng)邊1.05，對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度不大的結(jié)構(gòu)，取值應(yīng)≥1.3。

（2）結(jié)構(gòu)自身因素。對(duì)質(zhì)心與剛心兩者不相重合的建筑結(jié)構(gòu)，往往會(huì)在地震作用的影響下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。即使隔層結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛心相互重合，但整體質(zhì)心所處軸線的方向不一致時(shí)，同樣也會(huì)在地面轉(zhuǎn)動(dòng)分量、活載偏心以及其余復(fù)雜因素的共同影響下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)損壞的因素多為平面剛度分布的均勻性，而對(duì)剛度均勻性產(chǎn)生影響的主要為剪力墻的布設(shè)情況。

（3）結(jié)構(gòu)平面布置。對(duì)處于地震區(qū)域的高層建筑，其平面設(shè)計(jì)宜采取方形、矩形或圓形，且正六邊形、正八邊形也同樣適用，但對(duì)于沿主軸方向不是全部對(duì)稱的三角形平面，在發(fā)生地震時(shí)容易出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，因此，三角形平面結(jié)構(gòu)在地震區(qū)域并不適用。此外，L形、U形、T形、十字形等平面布置形式存在較長(zhǎng)的翼緣，此類平面在地震的作用下易出現(xiàn)差異側(cè)移而加重震害破壞。

（4）結(jié)構(gòu)立面布置。地震區(qū)域高層建筑的立面布置，較宜采用均勻布置的矩形、梯形等形式，而不宜采用形狀突變的立面布置形式，以免突變的形狀導(dǎo)致地震時(shí)質(zhì)量和剛度的驟變，造成突變部位處因地震的作用而出現(xiàn)塑性變形加劇地震破壞。需要注意的是，在地震區(qū)域也不宜采用倒梯形或大底盤建筑，此類建筑形式的質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度分布不符合抗震設(shè)計(jì)原則，其質(zhì)量分布與剛度上大下小，從而導(dǎo)致底部的薄弱程度增加，且較高的重心增加了傾覆力矩，也在一定程度上加大了地震時(shí)的破壞。此外，對(duì)處于地震區(qū)域的底盤較大的高層建筑，其底層裙房與上層主樓的連接位置處易引發(fā)剛度突然變化，從而導(dǎo)致上層主樓底部處易形成薄弱層，一旦地震發(fā)生就會(huì)因過于集中的塑性變形而出現(xiàn)較大破壞。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)高寬比設(shè)計(jì)。對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)如何把控好側(cè)向位移一直是設(shè)計(jì)工作者的關(guān)注重點(diǎn)，且隨著高層建筑層數(shù)的不斷增加，相應(yīng)的傾覆力矩也在慢慢增大。由此可見，高層建筑的寬度過小時(shí)往往不能夠滿足結(jié)構(gòu)的安全性要求，因此，對(duì)于層數(shù)較高建筑的高寬比應(yīng)控制在5～6范圍內(nèi)，對(duì)于設(shè)防烈度超過8度時(shí)，應(yīng)對(duì)高寬比予以更加嚴(yán)格的控制。

（2）結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)。高層建筑長(zhǎng)度較大時(shí)，在外界風(fēng)荷載的長(zhǎng)時(shí)間影響下，往往會(huì)致使建筑結(jié)構(gòu)由于受到不規(guī)則的風(fēng)力荷載變化而導(dǎo)致樓板出現(xiàn)平面扭曲現(xiàn)象或者結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞等。為有效避免因樓板的扭曲或扭轉(zhuǎn)變形造成反復(fù)復(fù)雜受力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性降低，須對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度予以嚴(yán)加控制。對(duì)于設(shè)防烈度為6～7度時(shí)，應(yīng)控制建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比＜6，對(duì)于設(shè)防烈度＞8度時(shí)，應(yīng)控制建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比＜5。不管高層建筑的結(jié)構(gòu)形式如何，其平面的布置務(wù)須要遵循“相互對(duì)稱、簡(jiǎn)單規(guī)則”的設(shè)計(jì)原則，以最大限度規(guī)避建筑樓板的扭轉(zhuǎn)受力與復(fù)雜受力。同時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛心應(yīng)盡可能保持重合，從而最大限度削弱扭轉(zhuǎn)受力，通常而言，應(yīng)控制其偏心率不得超過垂直外力作用線邊長(zhǎng)的5%。

（3）結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)。高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向設(shè)計(jì)須堅(jiān)持“連續(xù)和均勻”的設(shè)計(jì)原則，防止建筑結(jié)構(gòu)的剛度出現(xiàn)突變或者是間斷不連續(xù)的情況。對(duì)處于地震頻發(fā)區(qū)域的高層建筑，結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)嚴(yán)禁選擇結(jié)構(gòu)底部位置存在薄弱層以及完全由框支剪力墻組成的結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)，還要注意避免在某一層的中間部分出現(xiàn)剪力墻突然斷開的情況，防止在結(jié)構(gòu)中間部位形成軟弱層而導(dǎo)致地震時(shí)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞。

2.2 抗扭配筋設(shè)計(jì)

研究表明，通過前期合理的配筋設(shè)計(jì)能夠有效避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫在使用荷載的作用下持續(xù)蔓延，從而避免早期階段發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。

（1）箍筋的形式選擇。處于建筑結(jié)構(gòu)拉彎扭與純扭構(gòu)件的四個(gè)側(cè)面往往會(huì)在一定概率上出現(xiàn)裂縫，因此，應(yīng)注意在箍筋的設(shè)計(jì)時(shí)選擇封閉形式，從而能夠最大化抵御構(gòu)件四個(gè)側(cè)面上角部位外推力造成的影響。

（2）箍筋的布置間距。部分建筑構(gòu)件在純扭轉(zhuǎn)力的作用下，使得被損壞側(cè)面的斜向裂縫與縱軸呈45°左右，因此，在前期設(shè)計(jì)階段，箍筋的間距布置應(yīng)按照截面寬度范圍內(nèi)保留最大距離，進(jìn)而確保斜線裂縫中間應(yīng)至少能夠穿過一根鋼筋。

（3）箍筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。當(dāng)前我國(guó)建筑鋼混結(jié)構(gòu)構(gòu)件，主要以冷拔低碳鋼絲及Ⅰ級(jí)光面鋼筋為主，對(duì)于構(gòu)件截面會(huì)出現(xiàn)較大剪力以及扭轉(zhuǎn)力的情況時(shí)，則可使用Ⅱ級(jí)變形鋼筋，以最大限度發(fā)揮鋼筋的韌性與剛度，從而防止扭轉(zhuǎn)作用而造成的結(jié)構(gòu)破壞。

（4）縱筋的直徑與間距?？v向鋼筋在扭矩的作用下，會(huì)受到拉力與混凝土銷栓力的作用，同時(shí)，還會(huì)因斜壓力的作用形成一定的外推力并作用于角部縱筋，使縱筋在一定程度上會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)我國(guó)高層建筑工程的設(shè)計(jì)案例，通常情況下應(yīng)確?？v筋的直徑≥10mm，也有部分特殊情況采用8mm直徑總經(jīng)，但縱筋間距設(shè)置應(yīng)＜30cm，從而確保在裂縫寬度能夠收到合理的約束[2]。

（5）抗扭鋼筋的配置范圍。根據(jù)以往相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，因?yàn)榕で饔脤?duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響，使得縱向受力主筋與箍筋必須同時(shí)受力，由此來充分發(fā)揮扭轉(zhuǎn)力的作用。因此，在進(jìn)行箍筋的配置設(shè)計(jì)時(shí)，其延伸長(zhǎng)度必須要根據(jù)縱筋的延展長(zhǎng)度予以合理確定。

3 結(jié)束語

抗扭設(shè)計(jì)作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分須給予絕對(duì)重視，在開展相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)須全面考慮，綜合防治，切實(shí)強(qiáng)化薄弱環(huán)節(jié)，做好相應(yīng)抗扭設(shè)計(jì)，以促使建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定保障建筑安全。