高層建筑結構設計中的抗扭設計探究

彭杰

廣西華藍工程管理有限公司 廣西 南寧 530000

1 高層建筑結構扭轉因素分析

（1）外界因素干擾。地震發生時，地面間的差異運動，使地面一起發生平動與轉動分量，而也正是由于地面間的轉動分量使建筑結構發生了扭轉變形。但因地震觀測的復雜程度，以致關于扭轉分量的計算方式不完善、理論體系不成熟，因此，在建筑抗震規范內還未對扭轉分量的計算進行考慮。但卻在規范中考慮了其可能會產生的影響：在對不規則建筑結構未開展扭轉耦聯計算時，需將與地震作用方向平行的兩個邊榀的地震作用效應乘以相應的增大系數，取值多為短邊1.15，長邊1.05，對扭轉剛度不大的結構，取值應≥1.3。

（2）結構自身因素。對質心與剛心兩者不相重合的建筑結構，往往會在地震作用的影響下出現扭轉振動。即使隔層結構的質心與剛心相互重合，但整體質心所處軸線的方向不一致時，同樣也會在地面轉動分量、活載偏心以及其余復雜因素的共同影響下出現扭轉振動。導致結構出現扭轉損壞的因素多為平面剛度分布的均勻性，而對剛度均勻性產生影響的主要為剪力墻的布設情況。

（3）結構平面布置。對處于地震區域的高層建筑，其平面設計宜采取方形、矩形或圓形，且正六邊形、正八邊形也同樣適用，但對于沿主軸方向不是全部對稱的三角形平面，在發生地震時容易出現較大的扭轉振動，因此，三角形平面結構在地震區域并不適用。此外，L形、U形、T形、十字形等平面布置形式存在較長的翼緣，此類平面在地震的作用下易出現差異側移而加重震害破壞。

（4）結構立面布置。地震區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，以免突變的形狀導致地震時質量和剛度的驟變，造成突變部位處因地震的作用而出現塑性變形加劇地震破壞。需要注意的是，在地震區域也不宜采用倒梯形或大底盤建筑，此類建筑形式的質量、剛度、強度分布不符合抗震設計原則，其質量分布與剛度上大下小，從而導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的破壞。此外，對處于地震區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剛度突然變化，從而導致上層主樓底部處易形成薄弱層，一旦地震發生就會因過于集中的塑性變形而出現較大破壞。

2 高層建筑結構抗扭設計要點

2.1 結構整體設計

（1）結構高寬比設計。對于高層建筑結構如何把控好側向位移一直是設計工作者的關注重點，且隨著高層建筑層數的不斷增加，相應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往往不能夠滿足結構的安全性要求，因此，對于層數較高建筑的高寬比應控制在5～6范圍內，對于設防烈度超過8度時，應對高寬比予以更加嚴格的控制。

（2）結構平面設計。高層建筑長度較大時，在外界風荷載的長時間影響下，往往會致使建筑結構由于受到不規則的風力荷載變化而導致樓板出現平面扭曲現象或者結構扭轉破壞等。為有效避免因樓板的扭曲或扭轉變形造成反復復雜受力而導致結構安全性降低，須對高層建筑結構的長度予以嚴加控制。對于設防烈度為6～7度時，應控制建筑結構的長寬比＜6，對于設防烈度＞8度時，應控制建筑結構的長寬比＜5。不管高層建筑的結構形式如何，其平面的布置務須要遵循“相互對稱、簡單規則”的設計原則，以最大限度規避建筑樓板的扭轉受力與復雜受力。同時，建筑結構的質心與剛心應盡可能保持重合，從而最大限度削弱扭轉受力，通常而言，應控制其偏心率不得超過垂直外力作用線邊長的5%。

（3）結構豎向設計。高層建筑結構的豎向設計須堅持“連續和均勻”的設計原則，防止建筑結構的剛度出現突變或者是間斷不連續的情況。對處于地震頻發區域的高層建筑，結構豎向設計嚴禁選擇結構底部位置存在薄弱層以及完全由框支剪力墻組成的結構體系，同時，還要注意避免在某一層的中間部分出現剪力墻突然斷開的情況，防止在結構中間部位形成軟弱層而導致地震時出現扭轉破壞。

2.2 抗扭配筋設計

研究表明，通過前期合理的配筋設計能夠有效避免結構構件裂縫在使用荷載的作用下持續蔓延，從而避免早期階段發生扭轉破壞。

（1）箍筋的形式選擇。處于建筑結構拉彎扭與純扭構件的四個側面往往會在一定概率上出現裂縫，因此，應注意在箍筋的設計時選擇封閉形式，從而能夠最大化抵御構件四個側面上角部位外推力造成的影響。

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

（3）箍筋的強度設計。當前我國建筑鋼混結構構件，主要以冷拔低碳鋼絲及Ⅰ級光面鋼筋為主，對于構件截面會出現較大剪力以及扭轉力的情況時，則可使用Ⅱ級變形鋼筋，以最大限度發揮鋼筋的韌性與剛度，從而防止扭轉作用而造成的結構破壞。

（4）縱筋的直徑與間距?？v向鋼筋在扭矩的作用下，會受到拉力與混凝土銷栓力的作用，同時，還會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發生扭轉。因此，根據我國高層建筑工程的設計案例，通常情況下應確?？v筋的直徑≥10mm，也有部分特殊情況采用8mm直徑總經，但縱筋間距設置應＜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。根據以往相關設計實踐經驗可知，因為扭曲作用對建筑結構構件的影響，使得縱向受力主筋與箍筋必須同時受力，由此來充分發揮扭轉力的作用。因此，在進行箍筋的配置設計時，其延伸長度必須要根據縱筋的延展長度予以合理確定。

3 結束語

抗扭設計作為建筑結構設計的關鍵部分須給予絕對重視，在開展相應的結構設計時，務須全面考慮，綜合防治，切實強化薄弱環節，做好相應抗扭設計，以促使建筑結構穩定保障建筑安全。