建筑结构扭转的成因与设计优化及控制方法

建筑结构扭转的成因与设计优化及控制方法

【摘要】本文主要通过分析建筑结构扭转的成因，强调建筑抗扭设计在抗震中的作用，并且根据建筑结构扭转的成因提出了设计的优化的建议和一些控制方法。

【关键词】结构扭转；设计优化；控制方法

目前各国都对结构扭转效应控制进行了一系列相关的规定，我国抗震规范以及高规对扭转效应控制的具体规定也在逐步的完善，鉴于这种情况，有大部分的研究工作者以及结构工程师都进一步思考和分析了这个问题，从而给建筑结构抗扭设计提供了一些参考意见。

1、结构扭转概述

在以往的经验中，我们发现，大部分的建筑结构发生破坏等情况都是由扭转造成的，因此，要想减小建筑结构遭受地震破坏的程度，就需要加强结构的抗扭刚度和抗扭能力，这也是目前结构设计中一项非常重要的概念。

建筑布置的不合理往往会产生扭转效应，所以要想控制扭转效应，在建筑的布置等方面就要尽可能的合理。抗震结构的设计应该遵循满足平、立面简单对称的原则，尽可能的减少凸出和凹进等等复杂的平面，平面的刚度也应该尽可能的保持均匀。

2、建筑结构扭转原因分析

外来干扰：当发生地震时，由于地面质量间存在着差别性的运动，从而使地面在产生平动分量的同时，还产生了转动分量，结构发生扭转的原因正是由于转动分量的迫使。但是，地震观测的工作条件比较复杂和艰难，所以目前来说，扭转分量的相关理论和计算方法还不是十分的成熟，部分的技术在实际工作中也没有得到解决，所以，现在的抗震规范大多都没有将地震扭转分量的计算考虑进去。我国的规范考虑了这方面的影响，并给出了明确的规定：当不规则结构进行扭转耦连计算时，可以将平行于地震作用方向的两个边的地震作用效应和一个适当的增大系数进行相乘，在通常情况下，短边可以取1.15，长边可以取1.05，如果扭转的刚度比较小的话，那么增大系数最小应该是1.3。

建筑结构本身原因：如果建筑结构的刚度中心不能够重合质量中心，那么在地震的作用下就会导致结构的扭转振动。如果建筑结构各层的刚度中心可以重合质量中心，但整个建筑的质量中心并没有在同一条轴线上，就也会受到地面运动的扭转分量、活荷载的偏心以及其他相关复杂因素的影响，从而形成结构的扭转振动。如果平面刚度不均匀，也会造成建筑结构的扭转破坏，影响平面刚度均匀状况的主要因素是剪力墙的布置是否合理。

建筑结构布置分析：在平面布置方面，如果是处于地震区中的建筑，采用圆形、方形或矩形平面为最好，同时也可以采用椭圆形、扇形、正六边形、正八边形等。三角形的平面虽然看起来也比较的简单和对称，但是它并不是沿主轴方向都对称，这样的话，地震时就容易产生比较强烈的扭转振动，所以，建筑应该尽量避免在地震区采用三角形。此外，在地震区内建筑也不适宜采用有较长翼缝的，象L、U、H、T、以及十字形等平面，因为这类平面在地震发生之后也容易产生各种程度的变形，从而加强地震带来的灾害程度。

在立面布置方面，处于地震区的建筑的立面也应该尽量的采用矩形或者梯形等比较均匀的几何形状，尽量不要采用有着突然变化的立面形状，因为那种形状突变的立面形象很可能会引起质量和刚度的剧烈变化，在地震的强力作用下，该突变部位就会因为塑性变形的集中效应而加重破坏的程度。特别应该注意的是，倒梯形建筑和大底盘形状的建筑尽量不能出现在地震区，虽然倒梯形建筑的建筑风格比较时尚，看起来比较的美观，但是它的质量、刚度和强度上有着严重的分布不均匀等状况，不符合抗震设计的原则；比如，它的上部质量大，下部质量小，从而使重心偏高，这样就会将倾覆的力矩增加；还有下部的刚度小，而上部的刚度大，那么就会增加底层的薄弱程度；根据以往的经验，在地震时，有许多的大底盘建筑，容易在底层裙房与高层主楼相连处发生刚度突变等现象，从而使主楼底部楼层处于相对脆弱的状态，这样就会使其容易发生塑性变形集中效应，从而造成破坏。

3、结构扭转性质分析

在地震荷载的作用下，建筑结构发生扭转破坏时，就会加大建筑抗推刚度较弱的一侧位移，从而使它的剪力持续增大，加重破坏程度；如果是平面的刚度不均匀，一端的刚度很小，而另一端的刚度却很大，那么，在地震荷载的作用下，楼板会跟着没有剪力墙的一端柱子的塌落而落下。如果是结构单元两端之间的质量和钢度有着很大差别的话，在地震的作用下也会发生扭转，从而在钢筋混凝土柱上出现交叉裂缝等。还有就是某些建筑的每层平面布置也不相同，有些柱子会有上下错位或者形状长边方向发生改变等情况，这些都可能会造成发生地震的时候，上层会因为底层柱发生折断而整体出现塌落等情况。如果是结构平面形状不规则发生了破坏，那么交叉斜裂缝可以超过100毫米。通过研究单一受扭构件的破坏我们发现，少筋及超筋构件发生了脆性形式的破坏，而且是如果没有发生明显的塑性变形，而适筋构件以脆性形式遭受了破坏，这种破坏还是突发性的，具有比较明显的塑性变形，这种情况对于整体建筑结构发生扭转破坏来讲，具有突发性的破坏，塑性的变形量比较的小，这就属于脆性破坏的范畴。

4、扭转效应的控制措施

扭转不规则在平面不规则类别是排前位：根据以往发生的地震灾害可以证明，不规则的平面和质量刚度偏心以及扭转刚度太弱的结构，在地震的作用下，会受到严重的破坏。在实际的工程建设中，由于各种各样的原因，大部分建筑结构的平面布置和竖向布置都不能满足规范中要求的标准，所以，在以后的建设中，结构设计人员应该优化和调整抗侧力的结构布置，从而限制结构的平面扭转效

应。

在建筑物的外围尽可能的布置抗侧力结构：根据力学的基本概念，构件离质量中心越远，构件的抗扭刚度就越大，因此，要在建筑物的外围多布置一些抗侧力结构，从而，既可以不增加抗侧力构件的数量，又可以显著的增大结构的抗扭刚度。除了在建筑物外围布置抗侧力结构之外，还可以调整结构的周期比等方法来实现这个目的，比如采用削弱核芯筒风度的方法来实现等。

抗侧力结构布置必须均匀和对称：在高层建筑设计中，一定要遵循均匀、分散和对称的原则，来布置抗侧力构件，从而使结构的质量中心尽可能的与刚度中心接近。

尽可能加大现有周边抗侧力结构的刚度：除了采用在最大位移处布置抗侧力结构来加大结构的抗扭力度之外，还可以加大原来的抗侧力结构刚度来加大结构的抗扭力度。方法有：可以将原来建筑物的单向剪力墙布置成多边形剪力墙，还要尽可能的延长，但是在外立面的转角处应该尽可能的避免开窗，更加不能开转角窗；可以采取加厚离质心较远处剪力墙的厚度来实现等。

裙房部分防止上下层刚度偏心：通常在高层设计中，主楼能够满足有关控制结构扭转效应的要求，但是裙房部分却不能满足，这是因为结构的上下刚度偏心较大，所以可以采取增加裙房部分刚度的方法来解决这个问题。

5、结语

本文主要通过分析建筑结构扭转的成因，强调建筑抗扭设计在抗震中的作用，并且根据建筑结构扭转的成因提出了设计的优化的建议和一些控制方法。

参考文献

[1]方义庆.基于建筑结构扭转效应分析的抗扭设计方法讨论[J].建筑结构，2009，39（8）：88-90.

[2]徐培福.高层建筑结构的扭转反映控制[J].土木工程学报，2006，39（7）：2-6.