研究高層建筑結構抗扭設計存在的問題

田曉強

摘 要：針對目前高層建筑結構的抗扭設計問題，文章分析了其實際應用重要性以及控制方法，其目的是為相關建設者提供一些理論依據。

關鍵詞：高層建筑結構；抗扭設計；地震扭轉；抗扭配筋

隨著市場經濟發展進程不斷加快，建筑業迎來了發展的契機。高層建筑就是這一時期所衍生出來的主要建筑形式之一，在對其進行抗扭設計過程中，由于其容易受外部因素以及內部因素的影響?；诖耍嚓P建設者提出了結構總體布置的方法，這是提高高層建筑結構抗扭設計作用效果的關鍵。設計者應將其重視起來，并將研究成果應用于實際建設，這是保證我國建筑業健康穩定發展的關鍵。

1 高層建筑結構抗扭設計重要性

由于高層建筑的建設樓層高，這就使其受地震的影響大。而結構抗扭設計，具體來說就是當地震來臨時，高層建筑結構會自動產生延性，進而使其進入塑性階段來抵抗地震所帶來的影響。在以往的建筑結構設計中，大多采用現澆鋼筋混凝土、較大截面尺寸的預制板構件，來保證建筑結構的穩定性。然而，隨著高層建筑的普及、結構跨度的不斷增大以及結構抗震效果的提高，使得扭轉逐漸成為決定高層建筑結構應用安全性的關鍵。就目前來說，扭轉問題出現的形式主要有兩種，分別是：協調扭轉和平衡扭轉。其中協調扭轉問題的出現，是因為相鄰構件的彎曲轉動會受到支撐構件的扭轉剛度影響。而平衡扭轉問題出現是由于平衡條件變化所帶來的。此外，如果按照高層建筑結構構件的受扭特性劃分，扭轉問題可分為翹曲約束扭轉以及自由扭轉。上述幾種高層建筑結構扭轉問題，都會給建筑工程的建設使用埋下安全隱患。因而，相關建設人員應將抗扭設計作為提高高層建筑質量的重要結構設計內容。只有這樣才能使高層建筑以其作用優勢快速的發展建設下去。

2 高層建筑結構在進行抗扭設計中存在的問題

2.1 地震扭轉發生的偶然性

在高層建筑結構抗扭設計中，地面發生的扭轉運用是引發建筑結構出現扭轉問題的主要因素。（這里指的地面扭轉是地震）然而，就目前來說，相關研究人員對于造成地面扭轉運動出現的強震監測記錄很少。而且，并沒有相應的科學技術手段能夠通過直接輸入地面運動扭轉作用的方式，來研究地震對高層建筑結構的影響。因而，這就使得高層建筑結構地面運動扭轉的發生具有一定的偶然性。這樣一來，研究人員就可以通過增加對偶然偏心作用方面進行計算研究，來提高建筑結構的穩定性。此外，設計人員在對高層建筑進行抗扭設計時，還要考慮到結構本身所具備的偶然因素。具體來說，偶然因素主要體現在：結構使用期間的質量變化隨機性、結構剛度計算的局限性、應用材料性質的離散性以及構造變化等。這些偶然因素都會導致高層建筑結構的抗扭設計出現不對稱、不均勻的問題。

2.2 結構自身的抗扭特性

高層建筑結構抗扭設計的關鍵問題是，能否控制好其結構的作用質量、剛度以及布局。除了設計因素外，會給高層建筑整體結構造成影響的還有結構自身所具備的抗扭特性。具體主要在：結構的立面和平面形狀的規則性上、豎向和平面的作用質量、相應的抗扭剛度強弱以及剛度分布的均勻性等。在對建筑結構立面和平面形狀的規則性進行設計時，可通過立面與平面的特征尺寸作為實際控制的比例特征。而影響結構自身抗扭特性的剛度和質量分布均勻性問題，可采用剛心和質心的偏心率來進行衡量。對于抗扭剛度的強弱問題，可通過結構的基本扭轉周期與其基本平動周期的比值來進行體現。

2.3 建筑結構的扭轉作用問題

由于高層建筑結構在地震作用下產生的扭轉反應體現類型是扭轉效應與平動效應的耦聯反應。一些具有抗震規范的國家，在高層建筑結構的抗震規范中加有一條結構偏心率放大系數的要求。這樣一來，設計人員就必須在抗扭設計中體現出控制平移振動以及扭轉周期之間相互作用所產生的作用放大問題。基于此效用，我國相關管理部門應將其重視起來，不能放任平移振動以及扭轉周期問題持續接近下去，否則將使其相互之間的作用力越來越大。現階段，我國高層建筑結構建設規定中雖然沒有此項要求，但通過控制平動周期和扭轉周期的比值，來降低建筑結構扭轉所帶的振動增大影響問題。此外，高層建筑結構規定，抗扭設計要對樓層最大層間的位移角處及其位移比進行直接控制，以降低結構所產生的扭轉反應。

3 解決高層建筑結構抗扭設計問題的策略

3.1 抗扭配筋的構造選擇

據相關研究表明，只有將受扭轉的高層建筑結構構件的縱筋與箍筋共同作用，才能是抗扭設計發揮出增強結構強度的作用。所以，抗扭箍筋的配置的延伸長度范圍，應與縱筋的延伸長度保持一致。此外，高層建筑結構在扭矩的作用下，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致的外推力外，還要將縱筋的直徑設計在10mm以下。為避免結構裂縫出現寬度的增大，要將縱筋間的間距處控制在300mm以內。對于箍筋的強度設計內容，相關建設者應將鋼筋混凝土的箍筋采用冷拔低碳鋼絲以及一級的光面鋼筋。對于結構抗扭設計處在剪力和扭矩較大的情況下，應采用二級變形的鋼筋。這里指的一、二級鋼筋是指，其設計壓強為210Mpa和310Mpa.

3.2 提高結構設計的總體布置效果

首先，抗扭設計人員要將平面布置進行針對性設計。具體來說，當高層建筑結構長度較大時，且處在風向不穩以及風力不均勻的情況下，這就使得建筑結構容易受到樓板平面撓曲以及結構扭轉等問題的影響。為解決這一問題，可適當的控制建筑物的長度。例如，當設計防烈度≧8時，建筑物結構的高寬比不能超過5；當設計防烈度為6或7時，則要將建筑結構的高寬比控制在6以內。而且，不論是塔式還是板式的高層建筑結構，其平面總體布置都應盡可能的采用對稱和相對簡單的形狀。其次，結構設計的豎向布置，要保證其剛度處在連續而均勻的狀態下。此外，如果高層建筑物的建設地點處在地震區內，那么抗扭設計則不能采用框支剪力墻來作為結構體系的底部位置，這是提高結構設計穩定性的關鍵。最后，對于高層建筑結構的高寬比設計，在通常情況下應控制在5-6之間。如果結構設防烈度>8度時，建筑結構抗扭設計人員應更加嚴格限制高寬比的總體布置效果。

4 結語

綜上所述，扭轉效應是導致高層建筑結構受地震影響主要因素。為提高高層建筑結構的使用安全性，相關建設人員應將抗扭設計應用于實際建設。然而，由于抗扭設計容易受地震扭轉的偶然性以及自身結構問題的影響，這就在一定程度上影響了其抗扭作用的發揮。針對這一問題，相關設計人員應在明確實際設計過程中存在的問題基礎上，來對其進行控制。

參考文獻

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