高層建筑在水平力作用下結構抗扭設計的初步探討

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摘要：地震中，高層建筑在水平力作用下結構會產生扭轉效應，進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構的抗扭轉能力，高層建筑的抗扭設計是提升建筑抗震能力的關鍵。本文基于高層建筑在水平力作用下結構的扭轉類型，分析研究高層建筑在水平力作用下結構扭轉振動的因素，論述探討高層建筑在水平力作用下結構的抗扭設計。

關鍵詞：高層建筑；水平力作用；結構扭轉振動；抗扭設計

地震中，高層建筑結構除了受到平移和剪切作用的影響，還會受到其水平力作用下發生相應的結構扭轉效應的影響。近年來，國內外地震頻發，高層建筑結構抗震能力的提升越來越受社會及人民的關注。根據這些震害分析可知，結構扭轉效應在很大程度上決定著高層建筑的損壞程度，其中平面不規則的建筑結構扭轉效應更加容易，嚴重時可能導致高層建筑的整體塌陷；也就是說，同一次地震中，兩幢結構分布不同的建筑受到的損壞程度也會不同。例如，采用抗扭設計中的對稱外框內筒設計結構的高層建筑受到的損壞程度必定比結構布置不對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。因此，為提升高層建筑的勘正能力，高層建筑在地震中產生的扭轉效應必須納入設計考慮范疇，高層建筑結構的抗扭設計必須予以重視。

一、高層建筑結構的扭轉類型

（一）結構扭矩形成原因

地震發生時，根據高層建結構扭矩形成的原因，高層建筑結構產生的扭轉可以分為平衡扭轉和協調扭轉兩種。其中，平衡扭轉是結構在承受平衡條件下的受力作用而發生的結構扭轉，如支撐懸臂板的梁在外扭矩作用下的結構扭轉。協調扭轉是高層建筑相鄰結構的彎曲扭轉在支撐結構扭轉剛度的約束下發生的結構扭轉，如邊梁因樓面梁支撐點的彎曲轉動下的結構扭轉。

（二）結構受扭性質

地震中，根據高層建筑結構的受扭性質，高層建筑結構產生的扭轉包括自由扭轉和翹曲約束扭轉兩種。自由扭轉，顧名思義，是指結構在承受扭矩作用時，結構各個截面并未受到約束的情況下發生的結構扭轉，此時結構截面上只存在剪應力的作用。相對應地，翹曲約束扭轉是指結構各個截面受到不同程度的約束作用而發生的結構扭轉，此時結構截面上不僅僅存在剪應力的單向作用，同時也存在正應力的相互作用。

二、高層建筑在水平力作用下結構扭轉振動的因素

通常而言，不考慮結構支點的各自地震動的情況下，高層建筑在水平力作用下發生結構扭轉振動的因素主要包括外部因素即地震的外加扭轉輸入和內部因素即結構自身質量中心和剛度中心存在偏移兩類，間或存在施工過程中的偶然偏心現象。其中，外部因素上，地震外加扭轉輸入通常是指因地面質量的運動差別性而造成的地震動的平動和轉動分量，這些分量迫使建筑結構發生扭轉。內部因素上，當高層建筑結構的質量中心和剛度中心存在偏移時，兩者的不重合極易導致結構的扭轉振動。

高層建筑結構發生扭轉時，均會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，決定著建筑結構的扭轉容易程度；高層建筑中水平荷載受水平力作用，產生的側移和內部作用力隨著高層建筑寬度的增加而加大，也會致使建筑結構發生軸向變形，因此，高層建筑結構扭轉中，水平力作用下的水平荷載處于主要地位，是控制結構側移和軸向變形的關鍵，是結構延伸性提升的依據指標，是高層建筑結構抗扭設計的重中之重。

三、高層建筑在水平力作用下結構的抗扭設計

地震發生過程中，高層建筑結構在水平力作用下產生扭轉振動有各方各面的因素，主要包括地面的震動、建筑物質量中心和剛度中心的不重合、設計時建筑計算分析的誤差以及抗扭結構的脆性破壞等。為提升高層建筑結構的抗震性能，這些迫使高層建筑結構發生扭轉振動的因素，需要被納入建筑圖紙設計上的考慮范疇，在設計中應盡量弱化乃至于避免結構的扭轉效應，采取科學可行的抗扭措施，以期實現高層建筑結構扭轉震動的弱化，甚至避免地震中建筑結構的倒塌現象。

（一）扭轉效應的改善

為改善高層建筑結構的扭轉效應，在設計中依據規則、對稱的設計總原則，全面考慮建筑的高寬比、平面結構布置、豎向結構布置以及立面結構布置等建筑平面的總體布置。第一，在高層建筑結構的高寬比上，側向位移的控制是高層建筑結構進行高寬比確定的關鍵。第二，在高層建筑結構的平面結構布置上，要考慮風力作用下的結構扭轉、樓板平面撓曲現象發生的原因，盡量避免結構質量中心和剛度中心的偏移現象。第三，在高層建筑結構的豎向結構布置上，童謠要注意結構質量與剛度的均勻連續分布，加強底板結構剛度體系，避免建筑豎向結構上出現軟弱層。第四，在高層結構的立面結構布置上，多采用矩形或梯形等結構穩定的幾何圖形，保證立面結構的穩定性，進而提升整個高層建筑結構的穩定性和抗扭性。

（二）抗扭措施的實施

在制定高層建筑的抗扭措施時，前提是全面了解高層建筑結構的自身特性以及結構扭轉振動的相關理論知識；例如，確保并提升框架-剪力墻基礎的良好整體性和剛度的科學依據，結構中梁中線與柱中線、柱中線與剪力墻中線之間的偏心距的設置原理，相關設計值的計算方法等。具體而言，高層建筑結構的抗扭措施的制定主要是指抗扭配筋的構造，包括箍筋的形式、間距、設計強度，縱筋的直徑和間距，抗扭鋼筋的配置范圍；也就是說，箍筋必須是封閉式的，箍筋的間距不得超過截面寬度，箍筋的設計強度以設計要求為標準，通常情況下縱筋的直徑要超過10㎜并且間距必須小于300㎜，抗扭鋼筋的配置范圍依據縱筋的延伸長度選定。

結束語

高層建筑在水平力作用下結構抗扭設計中，結構的扭轉振動效應是設計考慮的重點，也是決定建筑損害程度的重要因素，因此，高層建筑設計人員在對高層建筑結構進行設計時，需要高度重視結構的扭轉振動效應，掌握建筑結構產生扭轉的具體原因，設計中充分考慮扭轉振動效應各方面的影響因素，做好設計前的計算校核工作，結合高層建筑結構的具體特點，針對設計中薄弱環節對癥下藥，制定高層建筑結構的抗扭設計措施，提升高層建筑的抗震能力，盡可能地消除人民群眾生命財產的威脅因素。

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