建筑结构抗震设计中的扭转分析

建筑结构抗震设计中的扭转分析

作者：党杏涛

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第14期

摘要：扭转效应是建筑遭受地震严重破坏的重要原因，对建筑进行抗扭设计十分重要。主要从建筑结构扭转产生的原因、建筑结构的竖向与平面布置以及控制结构扭转的设计方法等几个方面探究建筑结构设计中抗扭设计的要点。

关键词：建筑结构；抗扭；抗震；扭转效应

前言：

近几年，地震等自然灾害频繁发生，这对建筑来说无疑是一个巨大的威胁。地震发生时，建筑要受到剪切和平移作用，另外震害导致建筑结构发生扭转破坏。尤其是建筑结构中不规则结构最容易发生扭转破坏，严重的导致建筑整体倒塌。2008年汶川地震，造成的震害给我国国民经济带来的损失无疑是巨大的，其倒塌的房屋大多是由于建筑发生扭转而引起全面倒塌。对大量震害进行分析可以知道，抗震结构设计中抗扭转设计解决好的建筑，其在地震中受到的危害远远小于没有经过抗扭设计的建筑。据我国很多振动台试验中，相关研究试验人员同样证明了扭转作用对建筑结构造成的危害是巨大的，所以建筑结构设计人员应该高度重视抗震设计中抗扭转的问题。

1、结构扭转产生的原因

建筑结构发生扭转是导致其结构破坏的主要原因，所以为了保证建筑结构的稳定性，将地震灾害降到最低，在进行建筑设计时务必要加强对结构抗扭能力的设计，在建筑设计中，既要满足建筑使用者的要求，也尽量避免出现严重不规则结构。为了进行抗扭设计，首先应了解引起结构发生扭转的因素。

（1）建筑结构本身产生的因素

在建筑设计施工中，可能导致结构的质量中心和刚度中心不重合，当地震发生时，在地震作用下建筑结构就会发生扭转性质的振动；即使是每一层建筑的质量中心和刚度中心完全重合，但是只要整体不完全重合，当地震发生时依然会受到其他因素的影响（如：活载荷偏心或者地面运动扭转分量）而发生结构扭转现象；建筑结构在塑性状态时塑性不同步，使刚度中心发生偏移。刚度的不均匀是产生扭转破坏的最重要的原因，所以必须要使平面、立面刚度规则，对称，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。上下各层间不要刚度突变，满足抗震结构设计规范。

（2）地震发生的空间特征产生的因素

地震发生时，由于地面质量不同，它们受震动时的状态也不同，在震动过程中，地面既会产生平动分量，又会产生转动分量，使建筑结构发生扭转的分量就是地面产生的转动分量。但是由于目前科研技术有限，对扭转分量的计算方法和理论研究仍然不成熟，很多问题还没有办法在实际中得到解决。

2、建筑结构的竖向与平面布置

（1）竖向布置。建筑抗震设计中，其立面及竖向剖面不能采用严重不规则的形状，应该严格遵照抗震结构设计规范的规定。如果竖向刚度突变超过规范规定的范围，在地震作用下，这些突变的部位就会变成塑性变形最集中的地方，加重了这些部位的破坏程度。

在现代建筑中，大底盘建筑和倒梯形建筑十分流行，但是这样的建筑结构在抗震设计时重点部位都应加强构造措施。在大底盘建筑中，高层主楼和低层裙房在连接处发生刚度突变，连接部位容易产生塑性变形集中效应，导致其被严重破坏，进而危及整栋建筑的安危；而倒梯形的建筑，其下部质量小，上部的质量大，这样就导致其倾覆力矩变大。

（2）平面布置。建筑抗震设计中，其平面布置、楼板开洞，凹凸不规则应该满足规范要求。为了减少震害发生，Y形、U形、L形或者十字形建筑尺寸宜满足建筑结构抗震设计规范要求，超出太多要做超限审查。

3、结构扭转特性

当建筑结构受到地震荷载作用而产生扭转破坏时，建筑抗侧移刚度相对薄弱的一侧就会加大位移，导致破坏程度进一步加大。如果建筑平面布置的形状不规则，那么地震时就会加大位移比；如果建筑中每一层的平面形状都不相同，层与层之间发生上下错位或者长边方向和形状发生变化都会造成在地震中破坏加剧，使整栋楼有坍塌的危险。

4、控制结构扭转的设计方法

由于地面运动、建筑结构刚度、建筑的抗扭构件以及施工误差等都会对抗扭转的效果有影响，所以要针对这些因素在设计中加强控制，减少扭转产生的破坏。

（1）减小扭转效应。这种方法在具体实施过程中有如下要求：一，抗震设防区建筑的平面布置必须要对称，形状规则，整体性要强；二，其立面形状和竖向剖面要规则，并改善竖向抗侧力构件的尺寸，使之由上至下逐渐变大，并增强构件的强度，这样能够减小建筑承载力和刚度发生突变；三，减小偏心率，使其质量中心和刚度中心尽量重合；四，如果建筑平面出现不规则形状，那么应该在平面上安装拉接楼板或者拉梁；五，采用增大周边构件的横截面的方式使整个平面的抗扭刚度增大。

（2）加强抗扭构造措施。根据建筑的实际高度，选择符合抗震原则的结构类型；在设计施工过程中，务必保证结构基础的刚度和整体性优良；在具体设计过程中可以针对具体工程情

况采取措施，如框架结构中边梁配筋时，两侧的构造筋可以改为抗扭筋，虽然几乎不增大钢筋量，却增强了边梁的抗扭效果。框架-剪力墙结构中柱中线和梁中线、剪力墙中线和柱中线之间不可有较大的偏心，剪力墙和框架最好双向设置；设置剪力墙时应该贯通整个房屋，剪力墙的纵向和横向墙体应该相互连接。对房屋长度比较大的纵向剪力墙设置时应该设置在不用开大洞口的地方，不能够将其设置在端开间，并且其上下洞口最好对齐；设计中加强结构的概念设计，使建筑结构很好配合，达到既满足建设者使用，又经济合理的目的。

5、结语

在建筑抗震设计中，扭转效应是建筑遭受地震破坏严重的重要原因。在进行建筑结构设计时一定要根据建筑物的抗震设防需求进行抗震设计，针对扭转振动的引发因素进行合理的设计，对建筑结构刚度薄弱的部分进行构造加强，保证建筑的刚心和质心能够尽量重合，这些都是减小扭转效应的重要内容。只有做好了建筑抗扭设计，才能够将建筑震害降到最小，保障人民的生命财产安全。

参考文献

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[4] 建筑抗震设计规范 GB50011-2010 中国建筑工业出版社