【摘要】本文首先分析了影響高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的主要因素，然后談了談工程上抗扭手段，最后就高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和控制進(jìn)行詳細(xì)的探討。提出了自己的一些看法，可供參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；概念設(shè)計(jì)

前言

大量震害表明，地震作用下平面凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)結(jié)構(gòu)，受力復(fù)雜、傳力不明確，容易誘發(fā)和造成結(jié)構(gòu)局部薄弱部位率先發(fā)生破壞，嚴(yán)重者可引起整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌破壞。國(guó)內(nèi)一些振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)結(jié)果也表明，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。震害表明，地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞，主要表現(xiàn)在變形受力較大而又薄弱的邊緣部位豎向構(gòu)件率先受到?jīng)_擊損壞，地震作用效應(yīng)隨之不斷積累，造成邊緣部位豎向構(gòu)件較快進(jìn)入破壞狀態(tài)，嚴(yán)重者造成結(jié)構(gòu)局部倒塌，甚至引起整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞倒塌，這種扭轉(zhuǎn)破壞機(jī)制較難實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)延性耗能，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震十分不利，設(shè)計(jì)必須加以控制。

一、高層建筑扭轉(zhuǎn)問題的產(chǎn)生分析

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越多樣。建筑師為了迎合人們的這種需求，越來越傾向于設(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，因考慮到多用戶型，采光通風(fēng)及住戶私密性的要求，大量采用風(fēng)車形、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)車形這類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洞較多，聯(lián)系較薄弱；啞鈴狀這類建筑平面通常長(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。

二、高層建筑工程抗扭措施分析

1、平面剛度、質(zhì)量的分布。地震本身是多方向的，存在扭轉(zhuǎn)分量，而目前尚未見實(shí)測(cè)資料，也無法計(jì)算。如果結(jié)構(gòu)本身剛度不均勻，將加劇扭轉(zhuǎn)作用。扭轉(zhuǎn)是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的重要原因，由于無法預(yù)見和計(jì)算，因此減少結(jié)構(gòu)的質(zhì)量不均勻和剛度不均勻，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和抗扭能力成為減少震害的重要措施，是十分重要的設(shè)計(jì)概念。不考慮耦連反應(yīng)的基于靜力概念的近似計(jì)算公式如下：

、r 分別為扭轉(zhuǎn)角和結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑， ·r 表示由于扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離質(zhì)心距離為回轉(zhuǎn)半徑處的位移，u 為質(zhì)心位移；K1、Kt分別為凝聚后的結(jié)構(gòu)項(xiàng)部的側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度；m1、mt分別為凝聚后的結(jié)構(gòu)頂部的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；F 為頂部側(cè)向力；Mt為頂部扭轉(zhuǎn)。由式 l 可知，對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)需從兩方面加以限制。

（1）限制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，關(guān)鍵就是控制好設(shè)計(jì)偏心矩 e。高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是難以避免的。諸多國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范都規(guī)定，對(duì)于均勻?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，給與設(shè)計(jì)偶然偏心距 e0，e0=（0.05～0.1）L，L 垂直于地震作用方向的建筑物的邊長(zhǎng)；對(duì)于不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，按靜力方法計(jì)算時(shí)，將計(jì)算的偏心距 e1 乘以 1.10～1.17 的增大系數(shù)并加上偶然偏心距 e0，即設(shè)計(jì)偏心距 e=（1.10～1.17）e1+（0.05～0.1）L。故對(duì)平面長(zhǎng)度較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)在整體結(jié)構(gòu)十分不合理的情況下首要考慮的是設(shè)縫，以降低 L 進(jìn)而減少設(shè)計(jì)偏心矩 e，從而有效的降低扭轉(zhuǎn)作用。

（2）限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，關(guān)鍵是限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期 T+與平動(dòng)為主的第一自振周期 T1 之比。周期比 Tt/Tt與結(jié)構(gòu)的抗扭剛度 Kt、抗側(cè)剛度 K1.轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 mt 以及質(zhì)量 m1有如下關(guān)系 ：

結(jié)構(gòu)的抗扭剛度Kt與X 向抗側(cè)剛度Klx.Y向抗側(cè)剛度K1Y 及構(gòu)件抗扭剛度 Kt1有如下關(guān)系式：Kt= Σ（Kxiyi2+ KYiXi2+ Kti）（式 3）

K1X= Σ KXi，KIY= Σ KYi（ 式 4）

剛心坐標(biāo)公式：由公

式 2、3、4、5 和 6 可以看出，如注意結(jié)構(gòu)的合理布置，提高抗扭剛度 Kt 與抗側(cè)剛度 K1 的比值，就可減少 Tt/T1 的值，從而減輕扭轉(zhuǎn)振型效應(yīng)的影響。影響剛度是否均勻的主要因素是剪力墻的布置，剪力墻應(yīng)按“均勻、分散、對(duì)稱、周邊”的原則布置，集中布置在結(jié)構(gòu)平面的一端會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心距離較大致使偏心矩 e 增大，從而使結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)作用增大。對(duì)稱布置剪力墻、井字筒，周邊布置剪力墻，或周邊布置剛度很大的框筒，都是增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度的重要措施， 有利于抵抗扭轉(zhuǎn)。為了減少地震作用下的扭轉(zhuǎn)，還應(yīng)注意平面上質(zhì)量分布，質(zhì)量偏心會(huì)引起扭轉(zhuǎn)，質(zhì)量集中在周邊也會(huì)加大扭轉(zhuǎn)，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)動(dòng)慣量 m 與質(zhì)量 m 的比值較大，將會(huì)使周期比 Tt/ T1增大，這對(duì)于連體結(jié)構(gòu)（如風(fēng)車形、啞鈴形的結(jié)構(gòu)） 尤為注意。

2、豎向剛度、質(zhì)量的分布。框支剪力墻是典型的沿高度剛度突變的結(jié)構(gòu)，它的主要危險(xiǎn)在于框支層的變形大，框支層總是表現(xiàn)為薄弱層。由于建筑物立面有較大的收進(jìn)或頂部有小面積突出的小房間造成建筑立面體型沿高度變化，或者為了加大建筑空間而頂部減少剪力墻等，都可能使結(jié)構(gòu)頂部少數(shù)層剛度突然變小，從而加劇地震作用下的鞭梢效應(yīng)，使頂部的側(cè)向甩動(dòng)變形過大。

三、高層建筑工程上抗扭手段分析

由上面分析，結(jié)合工程實(shí)際，可得工程上常用的抗扭手段如下。（1）抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)按“均勻、分散、對(duì)稱、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。（2）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，減小層問側(cè)向位移。（3）平面凹凸不規(guī)則處加拉梁，有條件的應(yīng)增設(shè)拉接樓板，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力。在結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)布置及調(diào)整過程中，有幾點(diǎn)值得注意。

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、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，剪力墻分量直線上均勻分布。

2、由于轉(zhuǎn)換層上下的剪切剛度比和建筑專業(yè)的限制，在無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。

四、結(jié)語

高層結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)反應(yīng)十分復(fù)雜，因此結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)在理解結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，從控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的角度出發(fā)，調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，以避免和減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而滿足建筑要求和相關(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定。同時(shí)采用基于性能的抗震概念來進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下不發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。綜上所述，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。

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