浅析建筑的抗扭设计

浅析建筑的抗扭设计

杨志峰

中国二十冶集团有限公司上海201900

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们不仅仅满足于建筑最基本的使用功能，而对建筑的美观提出了更高的要求。建筑师为了迎合人们的这种需求越来越倾向于设计出平面和立面都很复杂的建筑，现在大部分建筑物由于建筑功能和立面效果的需要，往往形成结构规范所规定的不规则建筑。

大量震害表明，结构平面不对称、不规则，极其容易造成结构扭转脆性破坏，甚至导致整个结构倒塌。为了提高建筑物的抗扭能力，规范在这方面提出了很多定性、定量的要求。这些要求是控制结构扭转效应的重要指标，它控制的是侧向刚度与扭转刚度的相对关系。它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理使结构不至于出现过大的扭转效应。

在《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）和《高层建筑混凝土结构设计规程》（JGJ3-2002）中都对结构扭转问题从周斯比和位移比两方面做了相关的规定。

一、结构扭转效应产生的原因

建筑结构产生扭转的原因主要有两点，一是来自于地震波的扭转分量，二是来自于建筑自身的原因，即结构自身的质心与刚心不重合所产生的偏心距。

1.地震波扭转分量

现实中的地震波存在六个分量，即除了X、Y、Z三个水平分量外，还存在绕X、Y、Z轴的三个扭转分量，其中绕Z轴的扭转分量直接对结构产生扭矩。由于迄今为止，尚无法准确测定地震波的扭转分量，因此目前的结构抗震设计理由一般都是仅考虑X、Y向水平地震作用，对于大跨度或者大悬臂结构还需要考虑Z向竖向地震作用，而没有考虑实际存在的地震波扭转分量的作用，这必然对结构的安全造成一定的隐患。

2.质心与刚心不重合产生的偏心距

刚心得概念最早结构专家林同炎提出，在假设楼板是刚性的前提下，对于单层建筑结构，水平力通过某一点，不产生扭转效应，此点称就是刚心。

刚心和质心存在偏心的原因主要有如下几点：

（1）建筑物竖向抗侧力构件布置不对称；

（2）建筑物平面，立面不对称；

（3）建筑物各层质心、刚心虽然重合，但是上下层之间不在同一条垂直线上；

（4）由于施工等原因造成的内部缺陷导致的偶然偏心；

（5）建筑物荷载分布不对称。

对于多层建筑，刚心与单层建筑情况不同，一般是水平荷载和刚度分布的函数，即具有不确定性。当结构进入非弹性阶段，结构各部分构件的刚度是变化的，也就是说刚度中心也是变化的。无论结构是否存在偏心，地震地面运动产生的结构扭转振动均是存在的。但是二者有区别，无偏心结构的平动与扭转不是耦联的。耦联反应对结构的扭转效应有明显的放大作用，所以在结构设计中应围绕这些原因进行抗扭设计。

二、扭转破坏的机理

根据材料力学可知，当一个构件受到扭矩作用时，离构件刚度中心越远的地方剪应力越大，剪切变形也越大。而在整体建筑结构中，当结构受到扭矩作用时，竖向构件将承受剪力以抵抗扭矩。一均匀对称的结构，质心和刚心重合，当结构受到一扭矩，那么将在各柱中产生剪力。剪力的大小与其离刚心的距离成正比，也就是说当结构受到扭矩作用时，离刚心越远的竖向构件将承受越大的剪力。根据结构理论可知，构件的剪切破坏是脆性的。目前结构设计均基于小震作用的组合内里进行配筋，中震和大震主要是通过良好结构构造如“强柱弱梁更强节点，强剪弱弯”等构造措施来提高结构延性以达到耗散地震能量的目的。在中震和大震作用下产生的扭矩作用将明显增大竖向构件的剪力，这将造成竖向墙柱构件不足以抵抗水平剪力，从而导致结构竖向墙柱构件发生脆性剪切破坏，甚至导致整个结构倒塌的严重后果。因此，结构抗震设计应采取有效措施严格控制结构的扭转效应并充分估计结构可能产生的扭转效应，适当提高结构的抗扭能力。

三、结构抗扭设计的方法和措施

大量的震害表明，简单合理规则的结构往往能在大震中屹立不倒。建筑的平面的规则平整，立面的简单大方，功能整齐划一就已经70%的决定了这个结构的抗扭能力。

1.控制结构的高宽比

高层建筑中控制侧向位移常常成为结构设计的主要矛盾，而且随着高度增加，倾覆力矩也将迅速增大，因此，建造宽度很小的建筑物是不合适的。一般应将结构的高宽比控制在5-6以下，当设防烈度在8度以上时，高宽比限制应更严格一些。

2.控制结构的位移比和周期比

在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期Tt与平均为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85.国内、外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中受到严重的破坏。国内一些振动台模型试验结果也表明，扭转效应会导致结构的严重破坏。

3.调整结构平面布置的不规则性，减小结构相对偏心距。

结构扭转效应与结构相对偏心距成线性关系。因此调整结构平面布置，使结构的质心与刚心接近或者比较接近将会明显减小楼层位移比值，从而改善结构的扭转效应。

调整结构平面布置的不规则性一般是在初步计算分析以后，从计算结果文件中找出结构的质心和刚心位置，从而判断结构的刚度分布情况。然后再根据具体情况适当增加或者减少离质心较远处的剪力墙，从而达到减小质心和刚心偏心率，改善结构扭转效应的目的。

4.调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比，控制结构周期比

结构扭转效应与结构周期比的平方成线性关系。因此结构方案设计时，除了调整结构平面布置的不规则性减小相对偏心距外，还应该更加重视减小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T1之比。因为当两者接近时，由于振动耦联的影响，结构的扭转效应明显增大。

调整结构抗扭刚度与抗侧刚度之比一般采取以下措施：

（1）在建筑允许的情况下，尽量加长或加厚周边剪力墙尤其是离刚心最远处的剪力墙，提高抗扭刚度，减小结构扭转周期；

（2）减少核心筒的剪力墙厚度或采用弱连梁连接剪力墙，从而减少核心筒刚度，削弱结构侧移刚度，加大第一平动周期；

（3）在结构周边架设拉梁，加强周边连梁刚度，增强结构抗扭刚度，减小结构扭转周期；

（4）结构刚心附近的剪力墙对结构抗扭刚度贡献不大，但对侧移刚度贡献较大，因此削弱刚心附近的剪力墙，可以加大第一平动周期；

（5）在既不能加强周边剪力墙也不能削弱中部剪力墙的情况下，可以适当加强周边框架梁的刚度，从而对结构整体形套箍效应，增加结构抗扭刚度，减小结构扭转周期。显然这种方法是不经济的，只有在以上办法都行不通的情况下才迫不得已的情况下才采用。

（6）适当提高周边抗扭构件的抗剪能力，增加结构抗扭能力安全度。

四、结语

建筑结构的抗扭设计，是贯穿整个建筑结构设计始终的中心，结构的抗扭效应十分复杂，而且扭转效应极易导致结构破坏，因此结构工程师必须在深刻理解结构破坏机理的基础上，严格遵守相关规范要求，协调建筑平面布置，调整结构布置，使结构布置既满足建筑要求又使其计算结果满足规范和规程的要求，同时采用基于性能的抗震思想来进行结构抗扭设计，确保结构在地震作用下不发生扭转破坏。