田曉強(qiáng)

摘 要：針對目前高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計問題，文章分析了其實際應(yīng)用重要性以及控制方法，其目的是為相關(guān)建設(shè)者提供一些理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；抗扭設(shè)計；地震扭轉(zhuǎn)；抗扭配筋

隨著市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程不斷加快，建筑業(yè)迎來了發(fā)展的契機(jī)。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(jìn)行抗扭設(shè)計過程中，由于其容易受外部因素以及內(nèi)部因素的影響。基于此，相關(guān)建設(shè)者提出了結(jié)構(gòu)總體布置的方法，這是提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計作用效果的關(guān)鍵。設(shè)計者應(yīng)將其重視起來，并將研究成果應(yīng)用于實際建設(shè)，這是保證我國建筑業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計重要性

由于高層建筑的建設(shè)樓層高，這就使其受地震的影響大。而結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計，具體來說就是當(dāng)?shù)卣饋砼R時，高層建筑結(jié)構(gòu)會自動產(chǎn)生延性，進(jìn)而使其進(jìn)入塑性階段來抵抗地震所帶來的影響。在以往的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，大多采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土、較大截面尺寸的預(yù)制板構(gòu)件，來保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，隨著高層建筑的普及、結(jié)構(gòu)跨度的不斷增大以及結(jié)構(gòu)抗震效果的提高，使得扭轉(zhuǎn)逐漸成為決定高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用安全性的關(guān)鍵。就目前來說，扭轉(zhuǎn)問題出現(xiàn)的形式主要有兩種，分別是：協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)和平衡扭轉(zhuǎn)。其中協(xié)調(diào)扭轉(zhuǎn)問題的出現(xiàn)，是因為相鄰構(gòu)件的彎曲轉(zhuǎn)動會受到支撐構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度影響。而平衡扭轉(zhuǎn)問題出現(xiàn)是由于平衡條件變化所帶來的。此外，如果按照高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受扭特性劃分，扭轉(zhuǎn)問題可分為翹曲約束扭轉(zhuǎn)以及自由扭轉(zhuǎn)。上述幾種高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題，都會給建筑工程的建設(shè)使用埋下安全隱患。因而，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)將抗扭設(shè)計作為提高高層建筑質(zhì)量的重要結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容。只有這樣才能使高層建筑以其作用優(yōu)勢快速的發(fā)展建設(shè)下去。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗扭設(shè)計中存在的問題

2.1 地震扭轉(zhuǎn)發(fā)生的偶然性

在高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計中，地面發(fā)生的扭轉(zhuǎn)運(yùn)用是引發(fā)建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問題的主要因素。（這里指的地面扭轉(zhuǎn)是地震）然而，就目前來說，相關(guān)研究人員對于造成地面扭轉(zhuǎn)運(yùn)動出現(xiàn)的強(qiáng)震監(jiān)測記錄很少。而且，并沒有相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)手段能夠通過直接輸入地面運(yùn)動扭轉(zhuǎn)作用的方式，來研究地震對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響。因而，這就使得高層建筑結(jié)構(gòu)地面運(yùn)動扭轉(zhuǎn)的發(fā)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(jìn)行計算研究，來提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，設(shè)計人員在對高層建筑進(jìn)行抗扭設(shè)計時，還要考慮到結(jié)構(gòu)本身所具備的偶然因素。具體來說，偶然因素主要體現(xiàn)在：結(jié)構(gòu)使用期間的質(zhì)量變化隨機(jī)性、結(jié)構(gòu)剛度計算的局限性、應(yīng)用材料性質(zhì)的離散性以及構(gòu)造變化等。這些偶然因素都會導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計出現(xiàn)不對稱、不均勻的問題。

2.2 結(jié)構(gòu)自身的抗扭特性

高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計的關(guān)鍵問題是，能否控制好其結(jié)構(gòu)的作用質(zhì)量、剛度以及布局。除了設(shè)計因素外，會給高層建筑整體結(jié)構(gòu)造成影響的還有結(jié)構(gòu)自身所具備的抗扭特性。具體主要在：結(jié)構(gòu)的立面和平面形狀的規(guī)則性上、豎向和平面的作用質(zhì)量、相應(yīng)的抗扭剛度強(qiáng)弱以及剛度分布的均勻性等。在對建筑結(jié)構(gòu)立面和平面形狀的規(guī)則性進(jìn)行設(shè)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(jié)構(gòu)自身抗扭特性的剛度和質(zhì)量分布均勻性問題，可采用剛心和質(zhì)心的偏心率來進(jìn)行衡量。對于抗扭剛度的強(qiáng)弱問題，可通過結(jié)構(gòu)的基本扭轉(zhuǎn)周期與其基本平動周期的比值來進(jìn)行體現(xiàn)。

2.3 建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)作用問題

由于高層建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)體現(xiàn)類型是扭轉(zhuǎn)效應(yīng)與平動效應(yīng)的耦聯(lián)反應(yīng)。一些具有抗震規(guī)范的國家，在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震規(guī)范中加有一條結(jié)構(gòu)偏心率放大系數(shù)的要求。這樣一來，設(shè)計人員就必須在抗扭設(shè)計中體現(xiàn)出控制平移振動以及扭轉(zhuǎn)周期之間相互作用所產(chǎn)生的作用放大問題?；诖诵в?，我國相關(guān)管理部門應(yīng)將其重視起來，不能放任平移振動以及扭轉(zhuǎn)周期問題持續(xù)接近下去，否則將使其相互之間的作用力越來越大?，F(xiàn)階段，我國高層建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)規(guī)定中雖然沒有此項要求，但通過控制平動周期和扭轉(zhuǎn)周期的比值，來降低建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)所帶的振動增大影響問題。此外，高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)定，抗扭設(shè)計要對樓層最大層間的位移角處及其位移比進(jìn)行直接控制，以降低結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。

3 解決高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計問題的策略

3.1 抗扭配筋的構(gòu)造選擇

據(jù)相關(guān)研究表明，只有將受扭轉(zhuǎn)的高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的縱筋與箍筋共同作用，才能是抗扭設(shè)計發(fā)揮出增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。所以，抗扭箍筋的配置的延伸長度范圍，應(yīng)與縱筋的延伸長度保持一致。此外，高層建筑結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的外推力外，還要將縱筋的直徑設(shè)計在10mm以下。為避免結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)寬度的增大，要將縱筋間的間距處控制在300mm以內(nèi)。對于箍筋的強(qiáng)度設(shè)計內(nèi)容，相關(guān)建設(shè)者應(yīng)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(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計處在剪力和扭矩較大的情況下，應(yīng)采用二級變形的鋼筋。這里指的一、二級鋼筋是指，其設(shè)計壓強(qiáng)為210Mpa和310Mpa.

3.2 提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體布置效果

首先，抗扭設(shè)計人員要將平面布置進(jìn)行針對性設(shè)計。具體來說，當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)長度較大時，且處在風(fēng)向不穩(wěn)以及風(fēng)力不均勻的情況下，這就使得建筑結(jié)構(gòu)容易受到樓板平面撓曲以及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)等問題的影響。為解決這一問題，可適當(dāng)?shù)目刂平ㄖ锏拈L度。例如，當(dāng)設(shè)計防烈度≧8時，建筑物結(jié)構(gòu)的高寬比不能超過5；當(dāng)設(shè)計防烈度為6或7時，則要將建筑結(jié)構(gòu)的高寬比控制在6以內(nèi)。而且，不論是塔式還是板式的高層建筑結(jié)構(gòu)，其平面總體布置都應(yīng)盡可能的采用對稱和相對簡單的形狀。其次，結(jié)構(gòu)設(shè)計的豎向布置，要保證其剛度處在連續(xù)而均勻的狀態(tài)下。此外，如果高層建筑物的建設(shè)地點處在地震區(qū)內(nèi)，那么抗扭設(shè)計則不能采用框支剪力墻來作為結(jié)構(gòu)體系的底部位置，這是提高結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性的關(guān)鍵。最后，對于高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比設(shè)計，在通常情況下應(yīng)控制在5-6之間。如果結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度>8度時，建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計人員應(yīng)更加嚴(yán)格限制高寬比的總體布置效果。

4 結(jié)語

綜上所述，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)受地震影響主要因素。為提高高層建筑結(jié)構(gòu)的使用安全性，相關(guān)建設(shè)人員應(yīng)將抗扭設(shè)計應(yīng)用于實際建設(shè)。然而，由于抗扭設(shè)計容易受地震扭轉(zhuǎn)的偶然性以及自身結(jié)構(gòu)問題的影響，這就在一定程度上影響了其抗扭作用的發(fā)揮。針對這一問題，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)在明確實際設(shè)計過程中存在的問題基礎(chǔ)上，來對其進(jìn)行控制。

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