摘要：地震中，高层建筑在水平力作用下结构会产生扭转效应，进而造成高层建筑的损坏，因而高层建筑的抗震能力的高低直接取决于建筑结构的抗扭转能力，高层建筑的抗扭设计是提升建筑抗震能力的关键。本文基于高层建筑在水平力作用下结构的扭转类型，分析研究高层建筑在水平力作用下结构扭转振动的因素，论述探讨高层建筑在水平力作用下结构的抗扭设计。
关键词：高层建筑；水平力作用；结构扭转振动；抗扭设计
地震中，高层建筑结构除了受到平移和剪切作用的影响，还会受到其水平力作用下发生相应的结构扭转效应的影响。近年来，国内外地震频发，高层建筑结构抗震能力的提升越来越受社会及人民的关注。根据这些震害分析可知，结构扭转效应在很大程度上决定着高层建筑的损坏程度，其中平面不规则的建筑结构扭转效应更加容易，严重时可能导致高层建筑的整体塌陷；也就是说，同一次地震中，两幢结构分布不同的建筑受到的损坏程度也会不同。例如，采用抗扭设计中的对称外框内筒设计结构的高层建筑受到的损坏程度必定比结构布置不对称的高层建筑受到的损害程度更低，2008年汶川大地震的震害分析也很好地证明了这一点。因此，为提升高层建筑的勘正能力，高层建筑在地震中产生的扭转效应必须纳入设计考虑范畴，高层建筑结构的抗扭设计必须予以重视。
一、高层建筑结构的扭转类型
（一）结构扭矩形成原因
地震发生时，根据高层建结构扭矩形成的原因，高层建筑结构产生的扭转可以分为平衡扭转和协调扭转两种。其中，平衡扭转是结构在承受平衡条件下的受力作用而发生的结构扭转，如支撑悬臂板的梁在外扭矩作用下的结构扭转。协调扭转是高层建筑相邻结构的弯曲扭转在支撑结构扭转刚度的约束下发生的结构扭转，如边梁因楼面梁支撑点的弯曲转动下的结构扭转。
（二）结构受扭性质
地震中，根据高层建筑结构的受扭性质，高层建筑结构产生的扭转包括自由扭转和翘曲约束扭转两种。自由扭转，顾名思义，是指结构在承受扭矩作用时，结构各个截面并未受到约束的情况下发生的结构扭转，此时结构截面上只存在剪应力的作用。相对应地，翘曲约束扭转是指结构各个截面受到不同程度的约束作用而发生的结构扭转，此时结构截面上不仅仅存在剪应力的单向作用，同时也存在正应力的相互作用。
二、高层建筑在水平力作用下结构扭转振动的因素
通常而言，不考虑结构支点的各自地震动的情况下，高层建筑在水平力作用下发生结构扭转振动的因素主要包括外部因素即地震的外加扭转输入和内部因素即结构自身质量中心和刚度中心存在偏移两类，间或存在施工过程中的偶然偏心现象。其中，外部因素上，地震外加扭转输入通常是指因地面质量的运动差别性而造成的地震动的平动和转动分量，这些分量迫使建筑结构发生扭转。内部因素上，当高层建筑结构的质量中心和刚度中心存在偏移时，两者的不重合极易导致结构的扭转振动。
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高层建筑结构发生扭转时，均会受到竖向荷载和水平荷载的影响，其中水平荷载是决定因素，决定着建筑结构的扭转容易程度；高层建筑中水平荷载受水平力作用，产生的侧移和内部作用力随着高层建筑宽度的增加而加大，也会致使建筑结构发生轴向变形，因此，高层建筑结构扭转中，水平力作用下的水平荷载处于主要地位，是控制结构侧移和轴向变形的关键，是结构延伸性提升的依据指标，是高层建筑结构抗扭设计的重中之重。
三、高层建筑在水平力作用下结构的抗扭设计
地震发生过程中，高层建筑结构在水平力作用下产生扭转振动有各方各面的因素，主要包括地面的震动、建筑物质量中心和刚度中心的不重合、设计时建筑计算分析的误差以及抗扭结构的脆性破坏等。为提升高层建筑结构的抗震性能，这些迫使高层建筑结构发生扭转振动的因素，需要被纳入建筑图纸设计上的考虑范畴，在设计中应尽量弱化乃至于避免结构的扭转效应，采取科学可行的抗扭措施，以期实现高层建筑结构扭转震动的弱化，甚至避免地震中建筑结构的倒塌现象。
（一）扭转效应的改善
为改善高层建筑结构的扭转效应，在设计中依据规则、对称的设计总原则，全面考虑建筑的高宽比、平面结构布置、竖向结构布置以及立面结构布置等建筑平面的总体布置。第一，在高层建筑结构的高宽比上，侧向位移的控制是高层建筑结构进行高宽比确定的关键。第二，在高层建筑结构的平面结构布置上，要考虑风力作用下的结构扭转、楼板平面挠曲现象发生的原因，尽量避免结构质量中心和刚度中心的偏移现象。第三，在高层建筑结构的竖向结构布置上，童谣要注意结构质量与刚度的均匀连续分布，加强底板结构刚度体系，避免建筑竖向结构上出现软弱层。第四，在高层结构的立面结构布置上，多采用矩形或梯形等结构稳定的几何图形，保证立面结构的稳定性，进而提升整个高层建筑结构的稳定性和抗扭性。
（二）抗扭措施的实施
在制定高层建筑的抗扭措施时，前提是全面了解高层建筑结构的自身特性以及结构扭转振动的相关理论知识；例如，确保并提升框架-剪力墙基础的良好整体性和刚度的科学依据，结构中梁中线与柱中线、柱中线与剪力墙中线之间的偏心距的设置原理，相关设计值的计算方法等。具体而言，高层建筑结构的抗扭措施的制定主要是指抗扭配筋的构造，包括箍筋的形式、间距、设计强度，纵筋的直径和间距，抗扭钢筋的配置范围；也就是说，箍筋必须是封闭式的，箍筋的间距不得超过截面宽度，箍筋的设计强度以设计要求为标准，通常情况下纵筋的直径要超过10㎜并且间距必须小于300㎜，抗扭钢筋的配置范围依据纵筋的延伸长度选定。
结束语
高层建筑在水平力作用下结构抗扭设计中，结构的扭转振动效应是设计考虑的重点，也是决定建筑损害程度的重要因素，因此，高层建筑设计人员在对高层建筑结构进行设计时，需要高度重视结构的扭转振动效应，掌握建筑结构产生扭转的具体原因，设计中充分考虑扭转振动效应各方面的影响因素，做好设计前的计算校核工作，结合高层建筑结构的具体特点，针对设计中薄弱环节对症下药，制定高层建筑结构的抗扭设计措施，提升高层建筑的抗震能力，尽可能地消除人民群众生命财产的威胁因素。
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论文作者:郭福,陈康康
论文发表刊物:《基层建设》2015年14期
论文发表时间:2015/11/17
标签：结构论文; 建筑结构论文; 高层论文; 高层建筑论文; 力作论文; 水平论文; 刚度论文; 《基层建设》2015年14期论文;