試論建筑結(jié)構(gòu)中的抗扭設(shè)計(jì)

摘要:文章詳細(xì)闡述了建筑結(jié)構(gòu)中的扭轉(zhuǎn)類(lèi)型，全面分析了建筑結(jié)構(gòu)中扭轉(zhuǎn)問(wèn)題產(chǎn)生的原因，進(jìn)一步針對(duì)存在的問(wèn)題提出完善建筑結(jié)構(gòu)中抗扭設(shè)計(jì)的措施。

關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)類(lèi)型抗扭設(shè)計(jì)措施

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們更加注重建筑的美觀，復(fù)雜體型的建筑越來(lái)越多，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求?，F(xiàn)在大部分建筑物由于建筑功能和立面效果的需要，往往形成結(jié)構(gòu)規(guī)范所規(guī)定的不規(guī)則建筑，為了提高建筑物的抗扭能力，在這方面提出了很多定性、定量的要求，是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo);其控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度的相對(duì)關(guān)系，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不至于出現(xiàn)過(guò)大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。也就是說(shuō)，周期比不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，而是要求結(jié)構(gòu)承載布局合理。

一、建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)類(lèi)型

在建筑結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)處于受扭的情況是不少的，但是處于扭轉(zhuǎn)單獨(dú)作用下的情況則不多，大多都是復(fù)合受扭。過(guò)去在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，或截面尺寸較大的預(yù)制板構(gòu)件，相當(dāng)于彎矩、軸向力和剪力而言，扭轉(zhuǎn)屬于次要因素，往往可忽略其影響或者采用保守的計(jì)算和構(gòu)造措施來(lái)處理。隨著高強(qiáng)材料的發(fā)展，在各種工程結(jié)構(gòu)中廣泛采用鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁構(gòu)件，結(jié)構(gòu)跨度也不斷擴(kuò)大，以及抗震要求的提高，都使扭轉(zhuǎn)的作用突出起來(lái)。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的受扭情況極為復(fù)雜，分清結(jié)構(gòu)的受扭的性質(zhì)是構(gòu)件抗扭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。試驗(yàn)研究說(shuō)明，根據(jù)扭矩形成的原因，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)可以分為以下兩種類(lèi)型:

1、平衡性扭轉(zhuǎn)

在結(jié)構(gòu)中，由于平衡條件引起的扭轉(zhuǎn)成為平衡扭轉(zhuǎn)。例如支撐懸臂板的梁，由懸臂板荷載產(chǎn)生的外扭矩作用下，梁內(nèi)不會(huì)發(fā)生內(nèi)力重分布，梁的設(shè)計(jì)扭矩不能減小。因此在設(shè)計(jì)中必須用梁的抗扭能力來(lái)平衡外界作用的全部扭矩。

2、協(xié)調(diào)性扭轉(zhuǎn)

在結(jié)構(gòu)中，由于相鄰構(gòu)件的彎曲轉(zhuǎn)動(dòng)受到支撐構(gòu)件扭轉(zhuǎn)剛度提供的約束，而在支撐構(gòu)件中引起的扭轉(zhuǎn)稱(chēng)為協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)。例如樓面梁支撐點(diǎn)的彎曲轉(zhuǎn)動(dòng)，使邊梁受扭即屬于協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)。邊梁的設(shè)計(jì)扭矩是由支撐點(diǎn)的扭住變形協(xié)調(diào)條件確定的，不是為了平衡外界作用的扭矩。根據(jù)構(gòu)件的受扭特性，扭轉(zhuǎn)可以分為以下二種類(lèi)型:

3、任意扭轉(zhuǎn)

當(dāng)構(gòu)件在扭矩作用下，各橫截面不受約束影響，可以自由翹曲而產(chǎn)

生相同的翹曲變形，縱向纖維沒(méi)有伸長(zhǎng)或縮短，因而橫截面上沒(méi)有正應(yīng)力，只要剪應(yīng)力時(shí)，這種扭轉(zhuǎn)稱(chēng)為任意扭轉(zhuǎn)。

4、約束扭轉(zhuǎn)

構(gòu)件在扭矩作用下，如果桿端橫截面受到約束不能自由翹曲，或者各橫截面的翹曲程度彼此不同，則縱向纖維產(chǎn)生線(xiàn)應(yīng)變，因而橫截面上除有剪應(yīng)力外還有正應(yīng)力，這種扭轉(zhuǎn)稱(chēng)為約束扭轉(zhuǎn)。

二、建筑結(jié)構(gòu)中扭轉(zhuǎn)問(wèn)題產(chǎn)生的原因

人們物質(zhì)文化生活的豐富，隨著也對(duì)建筑功能和形式的要求越來(lái)越多樣。建筑師為了迎合人們的這種需求，越來(lái)越傾向于設(shè)計(jì)出平面和立面都很復(fù)雜的建筑，在高層住宅建筑中，因考慮到多用戶(hù)型，采光通風(fēng)及住戶(hù)私密性的要求，大量采用風(fēng)車(chē)形、井字形聯(lián)體結(jié)構(gòu)的平面布置，甚至將這兩種結(jié)構(gòu)布置組合在一起形成啞鈴狀的平面結(jié)構(gòu)布置方案。風(fēng)車(chē)形這類(lèi)建筑平面有較大的外伸長(zhǎng)度，剪力墻主要集中在中間的樓、電梯間部位，各個(gè)單元之間連接部分開(kāi)洞較多，聯(lián)系較薄弱;啞鈴狀這類(lèi)建筑平面通常長(zhǎng)寬比較大，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量集中在兩端且由于偶然偏心很大，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力很不利。

三、建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的完善措施

1、建筑結(jié)構(gòu)的預(yù)先布置

(1)控制結(jié)構(gòu)的高寬比高層建筑中控制側(cè)向位移常常成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要矛盾，而且隨著高度增加，傾覆力矩也將迅速增大，因此，建造寬度很小的建筑物是不合適的。一般應(yīng)將結(jié)構(gòu)的高寬比控制在5～6以下，當(dāng)設(shè)防烈度在8度以上時(shí)，高寬比限制應(yīng)更嚴(yán)格一些。

(2)結(jié)構(gòu)的平面布置當(dāng)建筑物長(zhǎng)度較大時(shí)，在風(fēng)力作用下，也會(huì)出現(xiàn)因風(fēng)力不均勻及風(fēng)向紊亂變化而引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、樓板平面撓曲等現(xiàn)象。為了避免樓板變形帶來(lái)的復(fù)雜受力情況，建筑物長(zhǎng)度應(yīng)加以限制。當(dāng)設(shè)防烈度為6度和7度時(shí)，長(zhǎng)寬比不宜超過(guò)6;當(dāng)設(shè)防烈度等于或大于8度時(shí)，長(zhǎng)寬比不宜超過(guò)5。無(wú)論是板3.1水性化由于溶劑型涂料對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康危害都很大，因此，世界各國(guó)都十分重視發(fā)展水性建筑涂料，并制訂有關(guān)法規(guī)，嚴(yán)格限制建筑涂料中VOCs(有機(jī)揮發(fā)物質(zhì))的含量。使用溶劑型建筑涂料的比例越來(lái)越小，取而代之的是水性建筑涂料。由于水性建筑涂料具有技術(shù)先進(jìn)、工藝簡(jiǎn)潔、低能耗、低排放、安全無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。建筑涂料水性化就成了未來(lái)建筑涂料發(fā)展的必然方向，有著非常廣闊的發(fā)展前景。

2、提高建筑結(jié)構(gòu)中抗扭設(shè)計(jì)的技術(shù)水平

(1)高層建筑宜調(diào)整平面形狀和結(jié)構(gòu)布置，避免結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則;當(dāng)建筑物平面形狀復(fù)雜而又無(wú)法調(diào)整其平面形狀和結(jié)構(gòu)布置，使之成為較規(guī)則的結(jié)構(gòu)時(shí)，可設(shè)置防震縫將其劃分為較簡(jiǎn)單的幾個(gè)結(jié)構(gòu)單元。

(2)在規(guī)則平面中，如結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱(chēng)，仍會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，所以，在布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量均衡地布置抗側(cè)力構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心盡量重合，避免過(guò)大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

(3)如計(jì)算出的周期比Tt/T1仍不能滿(mǎn)足規(guī)范要求，有時(shí)僅依靠調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，很難達(dá)到理想的效果，應(yīng)調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件的布置，增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。調(diào)整時(shí)如結(jié)構(gòu)的層間位移角剛剛滿(mǎn)足規(guī)范，結(jié)構(gòu)剛度富裕量不大，可以均衡地加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圈剛度;如結(jié)構(gòu)的層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)剛度富裕量很大，可以在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圈剛度的同時(shí)，均衡地削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)筒中心抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，效果更為明顯。

(4)抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)按“均勻、分散、對(duì)稱(chēng)、周邊”的原則，使平面剛度分布均勻，并使平面剛心和質(zhì)心盡可能地接近。

(5)加大周邊構(gòu)件的截面，加大內(nèi)筒與周邊剪力墻主要連接構(gòu)件的截面，能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，從而有效增加抗側(cè)剛度，減小層問(wèn)側(cè)向位移。

3、提高建筑結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力

(1)借助材料力學(xué)抗扭剛度概念，高層建筑結(jié)構(gòu)從整體分析角度出發(fā)，剪力墻按“均勻、分散、對(duì)稱(chēng)、周邊”的原則布置外還應(yīng)符合以下要求，在抗扭剛度角度上，剪力墻分量(主要是長(zhǎng)度)叢外到里逐步減少，從抗側(cè)移剛度角度上，剪力墻分量直線(xiàn)上均勻分布。

(2)由于轉(zhuǎn)換層上下的剪切剛度比和建筑專(zhuān)業(yè)的限制，在無(wú)法增加落地剪力墻情況下，可在轉(zhuǎn)換層以上的較長(zhǎng)的墻肢中間開(kāi)洞，這樣可在扭轉(zhuǎn)剛度降低不多情況下有效地降低轉(zhuǎn)換層上層的剪切剛度，從而有效地降低剪切剛度比。

結(jié)語(yǔ):

實(shí)踐表明，合理的結(jié)構(gòu)布置是保證結(jié)構(gòu)具備有效抗扭能力的決定性因素，并直接關(guān)系到建筑物抗震性能的優(yōu)劣，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是空間的作用，在概念設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從結(jié)構(gòu)的整體出發(fā)，應(yīng)綜合各種因素合理地布置結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在?？傊ㄖY(jié)構(gòu)中抗扭設(shè)計(jì)技術(shù)的提高不僅有利于建筑環(huán)境的改善，而且是今后建筑業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn):

[1]GB50011—2001.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ3—2002(J186-2002)，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]許仲術(shù).化學(xué)建材[J].淺談建筑裝飾涂料，2004(7).

[4]徐分，李玫.裝飾美術(shù)[M].東南大學(xué)出版社，1997.

[5]胡國(guó)祥，張定成.化學(xué)建材[J].我國(guó)建筑涂料生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，1999(2).

[6]盧敘默.廣東化工[J].論涂料與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)，2008(7).

[7]鄭志堅(jiān).綜合論述[J].建筑涂料綜述，2000(10).

[8]汪維，王雪松，楊衛(wèi)疆，等.化學(xué)建材[J].建筑涂料的可持續(xù)發(fā)展理論綜述，2002(2).

[9]丁浩，陳榮坤.產(chǎn)業(yè)透視[J].建筑涂料的制造使用特點(diǎn)與室內(nèi)空氣質(zhì)量，2004(16).