略談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

常宏杰

摘要：隨著技術(shù)水平的不斷提高，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求也越來越高?，F(xiàn)如今高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中還存在很多問題，急需解決，因此，我們要加強先進(jìn)設(shè)計理論與先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，不斷進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制方法的研發(fā)和探討，使高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加適用、安全、可靠與經(jīng)濟。

關(guān)鍵詞：建筑；結(jié)構(gòu)；扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的發(fā)生原因

所謂的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)是計算建筑結(jié)構(gòu)空間時，因項目工程結(jié)構(gòu)不規(guī)則導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)位移。需重視的是，建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)指的是項目工程的主體部分，在自然災(zāi)害發(fā)生時，將嚴(yán)重破壞工程結(jié)構(gòu)。調(diào)查結(jié)果顯示，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的扭轉(zhuǎn)效發(fā)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(zhuǎn)效應(yīng)的重要因素，以面波、縱波、橫波為主。其中，面波會沿著地表結(jié)構(gòu)蔓延，是破壞建筑工程的關(guān)鍵因素；橫波會抖動地面，破壞性相對較強；②內(nèi)部因素。對于建筑工程來講，工程抗扭轉(zhuǎn)剛度小是引起扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的主要原因，逆轉(zhuǎn)剛度對建筑工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的關(guān)鍵作用是結(jié)構(gòu)的地震扭矩。從力學(xué)角度上來講，構(gòu)建距離地質(zhì)中心越遠(yuǎn)，抗扭轉(zhuǎn)剛度也就越大。當(dāng)?shù)卣鹱饔迷诮ㄖこ虝r，將產(chǎn)生一定的破壞力，且該破壞力作用于建筑工程，而不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)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(yīng)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(zhì)中心、剛心處于不重合狀態(tài)，將不會發(fā)生扭轉(zhuǎn)；若地質(zhì)中心、剛心不重合出現(xiàn)偏心距時，將擴大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，影響高層建筑工程的施工質(zhì)量。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制原則和措施

（一）控制原則

國家所頒布的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》曾明確提出建筑工程結(jié)構(gòu)平面的扭轉(zhuǎn)要求，且建筑工程的結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程也明確要求在考慮偏心地震的情況下，樓層之間的構(gòu)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(xué)角度上來講，抗扭轉(zhuǎn)構(gòu)件距離地質(zhì)中心越遠(yuǎn)，抗扭轉(zhuǎn)剛度也就越大。因此，在抗扭轉(zhuǎn)構(gòu)件的布置過程中，應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)加大構(gòu)件截面，以增大抗扭轉(zhuǎn)剛度；在對高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，盡可能的減少工程結(jié)構(gòu)的剛心、偏心率，進(jìn)而減小建筑工程的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

（二）控制措施

第一均勻、對稱的布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)

在對高層建筑的抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計時，需嚴(yán)格遵循分散、均勻的原則，并盡最大限度的使工程結(jié)構(gòu)剛度中心、質(zhì)量中心處于接近狀態(tài)。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(cè)力結(jié)構(gòu)未均勻、對稱分布導(dǎo)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(jié)構(gòu)的設(shè)置決定的，只有保證建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足抗震需求，工程結(jié)構(gòu)布局科學(xué)、合理的設(shè)置，才能保證高層建筑結(jié)構(gòu)耐性。相反，高層建筑結(jié)構(gòu)布局相對復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計不符合標(biāo)準(zhǔn)，不但無法滿足減震需求，還無法保證建筑工程的施工質(zhì)量。

第二 保證結(jié)構(gòu)平面寬度

現(xiàn)階段，相對小型的高層建筑結(jié)構(gòu)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(guī)避安全事故，降低工程質(zhì)量。為有效預(yù)防上述現(xiàn)象的發(fā)生，可從這樣幾點進(jìn)行：1.給予小型的高層建筑框架結(jié)構(gòu)，盡可能的脫開相對狹長的構(gòu)造。若建筑工程專業(yè)不允許，可在工程的大端部分添加抗側(cè)力剛度，以有效控制建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。若建筑工程專業(yè)允許，可在建筑工程中間適當(dāng)添加框架柱，簡單來講就是增加框架跨數(shù)。該方法的應(yīng)用不但能增加建筑工程梁線剛度，還能提高項目工程結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛度；2.給予相對小型的高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)，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(cè)力構(gòu)造一般處于集中分布狀態(tài)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)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(cè)添加剪力墻，這時的抗側(cè)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(jìn)而更好滿足控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)需求。

第三 平面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

地震發(fā)生時，因建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計不規(guī)則、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度低等因素的存在，導(dǎo)致建筑工程嚴(yán)重受損，影響施工質(zhì)量。但在對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，將無法滿足剛心、質(zhì)心的重合需求，且工程結(jié)構(gòu)的規(guī)則性設(shè)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)、需求設(shè)計。故而，在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，要想有效控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，以滿足抗震需求。

第四 控制建筑結(jié)構(gòu)的周期

比通過對高層建筑抗扭轉(zhuǎn)剛度的適當(dāng)調(diào)整，能從某種程度上改變抗扭轉(zhuǎn)剛度、抗側(cè)剛度，以有效控制高層建筑的結(jié)構(gòu)周期比，提高建筑工程的抗扭轉(zhuǎn)性能。從實際情況上來講，可從這樣幾點改變抗扭轉(zhuǎn)剛度：①根據(jù)工程情況增加剪力墻厚度，以增強工程的扭轉(zhuǎn)周期；②在對高層建筑結(jié)構(gòu)的拉梁進(jìn)行設(shè)計時，需適當(dāng)增加拉梁剛度，進(jìn)而實現(xiàn)縮短扭轉(zhuǎn)周期、增強抗扭轉(zhuǎn)強度的目標(biāo)。

綜上所述，伴隨著經(jīng)濟水平的持續(xù)上漲，建筑業(yè)快速發(fā)展。但從實際的工程施工上來講，因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)問題的存在，影響著工程的施工質(zhì)量。本文通過對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行分析得知，引起扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的因素以內(nèi)部因素、外部因素為主，故項目工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需根據(jù)實際情況調(diào)整抗扭轉(zhuǎn)剛度，制定符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施，以在增強抗震性能的同時，消除地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，保證高層建筑工程的順利施工。