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摘要：因扭转发生破坏是建筑结构遭受地震灾害的重要因素之一，结构设计人员在对建筑物，尤其是高层建筑进行结构设计时，需要充分重视地震工况下建筑结构的扭转问题，了解结构扭转的特性，并根据相关理论知识掌握减小结构扭转效应的方法。本文重点就提高钢筋混凝土结构抗扭性能的设计措施进行研究分析，以供参考。
关键字：混凝土；结构设计；抗扭性能；措施
引言
近年来，随着国家的日益繁荣昌盛，我国建筑产业的不断发展，建设数量和规模都在不断壮大。大多数城市或城镇的发展建设，都离不开大量的建筑工程设计工作，而其中很多设计理念和思想还在不断地更新、发展和完善当中。这就需要我们设计人员不断更新自身的设计思想和知识，与迅猛发展的建筑工程设计理念保持一致。在此期间，如何有效提高钢筋混凝土结构抗扭性能及其在实际工程中的应用受到了诸多研究学者的关注。
1引起结构扭转的因素
地震工况下的扭转是导致建筑结构破坏的重要原因，由于较难以预见和计算，从概念上减小结构各个维度上的质量不均匀和刚度不均匀、防止结构在平面上和竖向上的质量、刚度突变以及加强结构的抗扭刚度和构件的抗扭性能成为减小扭转震害的重要设计措施，这也是结构十分重要的设计概念。地震工况下，使得建筑结构发生扭转效应的原因主要来自两个方面：第一，地震作用及地质条件等外部干扰。由于建筑物所在建设地点处的地质条件复杂，可能导致传至地面的地震作用不仅含有平动分量，而且含有部分转动分量，这种地震作用的转动分量会迫使结构产生整体扭转，与结构自身的特性无关。第二，建筑结构本身因素。即使传至地面的地震作用仅含有水平分量，若结构在平面上的质量中心与刚度中心不重合，就会导致水平地震下结构的扭转效应；多层或高层建筑中即使结构每层的质心与刚心基本重合，但如果各楼层的质心不在同一竖轴上，那么由于刚度计算的误差、活荷载的偏心及其他估计不到的因素，也会引起整个结构的扭转效应。
2提高钢筋混凝土结构抗扭性能的设计措施
地震作用下转动分量的理论计算方法还不完善，由于工作条件的复杂性，强震观测一些实际技术工作也没有解决，所以各国对于外部干扰引起的结构扭转效应研究没有大量开展起来，各国的抗震规范中也基本没有考虑地震扭转分量的计算。在我国，抗震规范中采用如下规定考虑其影响，规则结构不进行扭转耦联计算时，平行于地震作用方向的两个边榀各构件，其地震作用效应应乘以增大系数。一般情况下，短边可按1.15采用，长边可按1.05采用；当扭转刚度较小时，周边各构件宜按不小于1.3采用。角部构件宜同时乘以两个方向各自的增大系数。
对于建筑结构本身因素可能引起的结构扭转效应，则可以从以下几个概念上的设计措施来避免结构的扭转破坏。
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2.1避免较大扭转效应
合理的建筑形体和布置可使结构的扭转效应有效降低，因此合理的建筑形体和布置在抗震设计中是头等重要的，提倡平立面简单对称，这是因为震害表明，简单对称的建筑在地震时较不容易破坏；且简单对称的结构也较易于进行分析估计其地震下的反应，进而采取更明确的抗震抗扭构造措施。建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。抗震结构平面布置宜简单、规则，尽量减少突出、凹进等复杂平面，更重要的是结构平面布置时要尽可能使平面刚度均匀。
第一，结构的平面布置。如果建筑物比较狭长，在受到地震作用时，由于建筑物两端地震波输入有相位差而容易产生不规则扭转。因此，必须严格限制建筑物的长宽比，以此防止楼板变形产生复杂的受力。如果设防烈度为6～7度时，其长宽比最好不超过4；如果设防烈度为8～9度时，长宽比最好不超过3。另外，对于平面有较长的外伸时，外伸段容易产生局部振动而引发凹角处应力集中和破坏,在实际工程设计中最好控制外伸部分长宽比不大于1。为了更好地重叠结构刚度中心和质量中心，降低扭转作用力，偏心距应该设置在垂直于外力作用线边长的5％的范围内；第二，结构的竖向布置。在设计建筑的竖向方面上，结构的刚度、均匀平衡性和连续性也是需要重视的因素。尽可能防止结构的刚度突变。在多地震带，应杜绝采用底部软弱层的框架，因为这种结构全部都是由框支剪力墙构成，剪力墙突断的中部软弱层结构也应尽量避免。
目前规范主要通过限制结构的扭转位移比来避免结构产生过大的扭转效应。扭转位移比计算时，楼层的位移可取“规定水平地震力”计算，由此得到的位移比与楼层扭转效应之间存在明确的相关性。“规定水平地震力”一般可采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力，并考虑偶然偏心。结构楼层位移和层间位移控制值验算时，需采用CQC的效应组合。当计算的楼层最大层间位移角不大于本楼层层间位移角限值的40％时，该楼层的扭转位移比的上限可适当放松，但不应大于1．6。扭转位移比为1．6时，该楼层的扭转变形已很大，相当于一端位移为1，另一端位移为4。
2.2提高结构扭转刚度
关键是限制结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期Tl之比，即扭转周期比。当两者接近时，由于振动耦联的影响，结构的扭转效应明显增大。抗震设计中应采取措施减小周期比Tt／Tl值，使结构具有必要的抗扭刚度。如周期比Tt／Tl不满足本条规定的上限值时，应调整抗侧力结构的布置，增大结构的抗扭刚度。可以通过增大结构四周水平受力构件的截面及配筋，或增设剪力墙来达到增大结构抗扭刚度的要求。
高层建筑结构当偏心率较小时，结构扭转位移比一般比较小，但其周期比有的会超过限值，必须使位移比和周期比都满足限值，使结构具有必要的抗扭刚度，保证结构的扭转效应较小。当结构的偏心率较大时，如结构扭转位移比能满足本条规定的上限值，则周期比一般都能满足限值。
笔者在进行去年某一工程项目设计时，分析结果显示结构水平位移刚刚满足规范限值，但周期比不满足规范要求。这种情况下，不能通过减小柱截面等类似措施增大结构的平动周期使周期比满足限值，因为这种操作会使得结构水平位移过大。因此，笔者通过增大结构四周的梁截面，使得结构的抗扭刚度增大，进而减小了结构的扭转周期，在不增加结构水平位移的前提下，使得结构的整体指标都满足要求。由此可见，实际工程中，遇到问题不能一概而论，而应该具体问题具体分析，在兼顾安全性和经济性的同时，使得结构设计达到最优解。
结束语
综上所述，建筑工程结构抗扭设计的理念及其在工程建设中的应用是紧密相连且不可分割的，就目前来说，通过规范限制性条款的规定所做设计一般是偏于安全的，但我们还是应该充分理解规范条款的由来和设计理念，这对我们更好地从整体上把握结构设计会有很大的帮助。
参考文献：
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[4] JGJ 3-2010. 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
论文作者:徐达
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第07期
论文发表时间:2019/7/2
标签：结构论文; 位移论文; 刚度论文; 效应论文; 周期论文; 楼层论文; 建筑结构论文; 《工程管理前沿》2019年第07期论文;