針對建筑結構設計中扭轉效應的研究

郭華東

摘要：所謂的扭轉效應是計算建筑結構空間時，因項目工程結構不規則導致的結構位移。需重視的是，建筑的扭轉效應指的是項目工程的主體部分，在自然災害發生時，將嚴重破壞工程結構。

關鍵詞：建筑；結構；扭轉效應

隨著技術水平的不斷提高，社會經濟的快速發展，人們對高層建筑結構設計的要求也越來越高。現如今高層建筑結構設計中還存在很多問題，急需解決，因此，我們要加強先進設計理論與先進技術的學習與應用，不斷進行高層建筑結構設計中扭轉效應的控制方法的研發和探討，使高層建筑結構設計更加適用、安全、可靠與經濟。

一、高層建筑結構設計中扭轉效應的發生原因

調查結果顯示，建筑結構設計中的扭轉效發生原因主要包括這樣幾個因素：①外部因素。從外部因素上來講，地震波是造成扭轉效應的重要因素，以面波、縱波、橫波為主。其中，面波會沿著地表結構蔓延，是破壞建筑工程的關鍵因素；橫波會抖動地面，破壞性相對較強；②內部因素。對于建筑工程來講，工程抗扭轉剛度小是引起扭轉效應的主要原因，逆轉剛度對建筑工程結構所產生的關鍵作用是結構的地震扭矩。從力學角度上來講，構建距離地質中心越遠，抗扭轉剛度也就越大。當地震作用在建筑工程時，將產生一定的破壞力，且該破壞力作用于建筑工程，而不產生扭轉效應時，該點被稱之為剛心。由此可見，剛心在建筑工程中并不是一成不變的，且隨著相應因素的不斷變化而變化。同時，地震作用在建筑工程時，若地質中心、剛心處于不重合狀態，將不會發生扭轉；若地質中心、剛心不重合出現偏心距時，將擴大扭轉效應，影響高層建筑工程的施工質量。

二、高層建筑結構設計中扭轉效應的控制原則和措施

（一）控制原則

國家所頒布的《建筑抗震設計規范》曾明確提出建筑工程結構平面的扭轉要求，且建筑工程的結構技術規程也明確要求在考慮偏心地震的情況下，樓層之間的構件水平、層間位移，建筑工程的最高高度不能高于平均值的1.1倍；對于B級建筑工程來講，其高度不能大于該樓層平均值的1.1倍。從材料的力學角度上來講，抗扭轉構件距離地質中心越遠，抗扭轉剛度也就越大。因此，在抗扭轉構件的布置過程中，應根據實際情況適當加大構件截面，以增大抗扭轉剛度；在對高層建筑的結構進行設計時，盡可能的減少工程結構的剛心、偏心率，進而減小建筑工程的扭轉效應。

（二）控制措施

1.第一均勻、對稱的布置抗側力結構

在對高層建筑的抗側力構件進行設計時，需嚴格遵循分散、均勻的原則，并盡最大限度的使工程結構剛度中心、質量中心處于接近狀態。若高層建筑工程位移比例無法滿足建筑需求時，通常是由抗側力結構未均勻、對稱分布導致的。比如：靠近建筑工程的一邊布置剪力墻不均勻等。一般情況下，房屋的動力功能是由建筑工程結構的設置決定的，只有保證建筑工程的結構設計滿足抗震需求，工程結構布局科學、合理的設置，才能保證高層建筑結構耐性。相反，高層建筑結構布局相對復雜，結構設計不符合標準，不但無法滿足減震需求，還無法保證建筑工程的施工質量。

2.第二 保證結構平面寬度

現階段，相對小型的高層建筑結構平面狹長是建筑工程的常見問題，這種類型的建筑工程雖能滿足用戶需求，但仍不能從根本上規避安全事故，降低工程質量。為有效預防上述現象的發生，可從這樣幾點進行：①給予小型的高層建筑框架結構，盡可能的脫開相對狹長的構造。若建筑工程專業不允許，可在工程的大端部分添加抗側力剛度，以有效控制建筑的扭轉效應。若建筑工程專業允許，可在建筑工程中間適當添加框架柱，簡單來講就是增加框架跨數。該方法的應用不但能增加建筑工程梁線剛度，還能提高項目工程結構的抗扭轉剛度；②給予相對小型的高層建筑框架剪力墻結構，因建筑工程房屋高度不是特別高，通常將剪力墻放置在電梯、樓梯之間，這些抗側力構造一般處于集中分布狀態，扭轉效應相對較大。在這種情況的影響下，需削弱中間部分的剪力墻，在工程外側添加剪力墻，這時的抗側力剛度過大，間接增大高層建筑工程的施工成本。由此可見，若建筑工程中能使用框架體系，盡量不使用框架剪力墻體系，進而更好滿足控制扭轉效應需求。

3.第三 平面扭轉效應

地震發生時，因建筑工程結構設計不規則、結構扭轉剛度低等因素的存在，導致建筑工程嚴重受損，影響施工質量。但在對高層建筑結構進行設計時，將無法滿足剛心、質心的重合需求，且工程結構的規則性設計也存在一定難度。同時，因建筑工程場地、施工情況的限制，在空間的布局上也無法按照相應標準、需求設計。故而，在高層建筑結構的設計過程中，要想有效控制扭轉效應，應根據實際情況適當調整抗側力結構，以滿足抗震需求。

4.第四 控制建筑結構的周期

比通過對高層建筑抗扭轉剛度的適當調整，能從某種程度上改變抗扭轉剛度、抗側剛度，以有效控制高層建筑的結構周期比，提高建筑工程的抗扭轉性能。從實際情況上來講，可從這樣幾點改變抗扭轉剛度：①根據工程情況增加剪力墻厚度，以增強工程的扭轉周期；②在對高層建筑結構的拉梁進行設計時，需適當增加拉梁剛度，進而實現縮短扭轉周期、增強抗扭轉強度的目標。

綜上所述，伴隨著經濟水平的持續上漲，建筑業快速發展。但從實際的工程施工上來講，因扭轉效應問題的存在，影響著工程的施工質量。本文通過對高層建筑結構設計中的扭轉效應進行分析得知，引起扭轉效應的因素以內部因素、外部因素為主，故項目工程的結構設計過程中需根據實際情況調整抗扭轉剛度，制定符合標準的結構設計措施，以在增強抗震性能的同時，消除地震的扭轉效應，保證高層建筑工程的順利施工。