结构的抗扭设计研究

常少娟

摘要：扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱的剪力很大，而中柱剪力较小，破坏由外向里，先外后里。为防止扭转，抗侧力结构应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。

关键词。结构设计，扭转，抗震。

1、引起结构构扭转的因素

扭转是导致结构破坏的重要原因，由于无法预见和计算，减小结构的质量不均匀和刚度不均匀、加强结构的抗扭刚度和抗扭能力成为减少震害的重要措施，也是结构十分重要的设计概念。

合理的建筑布置可使结构的扭转效应降到最低。因此合理的建筑布置在抗震设计中是头等重要的，提倡平、立面简单对称。因为震害表明，简单、对称的建筑在地震时较不容易破坏。因此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，但是，更重要的是结构平面布置时要尽可能使平面刚度均匀。地震时，引起建筑结构扭转振动的因素主要由两个方面：

1.1来自外来干扰

由于地面质量间运动的差别，可使地面的每一部分不仅产生平动分量，而且产生转动分量。这种转动分量迫使结构产生扭转。但由于地震扭转分量的理论计算方法还不成熟，强震观测由于工作条件的复杂，一些实际技术工作没有解决，所以在各国的研究方面没有开展起来。各国的抗震规范没有考虑地震扭转分量的计算。

规范中采用如下規定考虑其影响：规则结构不进行扭转祸联计算时，平行于地震作用方向的两个边棍，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，宜按不小于1. 3采用。

2. 1. 2建筑结构本身因素

结构的质量中心与刚度中心不重合，存在偏心，导致水平地震下结构的扭转振动。而且，即使每层的质心与刚心重合，但各楼层的质心不在同一竖轴上，但由于地面运动的扭转分量、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振动。平面刚度是否均匀是造成扭转破坏的重要原因，而影响刚度是否均匀的主要因素是剪力墙的布置。

z.1.2.1（1）平面布置

1. 平面形状与震害：地震区的高层建筑，平面以方形、矩形、圆形为好；正六边形、正八边形、椭圆形、扇形也可以。三角形平面虽也属简单形状，但是，由于它沿主轴方向不都是对称的，地震时容易激起较强的扭转振动，因而不是地震区高层建筑的理想平面形状，地震时多数房屋因扭转振动而严重破坏。此外，带有较长翼缘的L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面也不宜采用。因为平面的较长翼缘，地震时容易因发生差异侧移而加重震害。

2.关于建筑平面的设计规定：认为采用此等平面的楼房，地震时扭转振动较弱。

（2）2.1.2.2立面布置

地震区高层建声〔筑的立面也要求采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，尽量避免采用带有突然变化的阶梯形立面。因为立面形状的突然变化，必然带来质量和抗推刚度的剧烈变化，地震时，该突变部位就会因剧烈振动或塑性变形集中效应而加重破坏。

一般而言，房屋愈高，所受到的地震作用和倾覆力矩愈大，破坏的可能性也就愈大。随着工程地震和地震工程学科的不断发展，地震危险性分折和结构弹塑性时程分析法的日趋完善，特别是通过世界范围地震经验的总结，人们己认识到“房屋愈高愈危险”的概念不是绝对的，是有条件的。

2. 2结构扭转的性质

对于结构的扭转破坏，在荷载作用时，由于整个建筑发生扭转振动，抗推刚度较弱的一侧，位移加大，剪力增加，破坏程度加重。如果一端刚度很大，另一端只有柱子，刚度很小，这样其平面的刚度不均匀，地震荷载作用下发生扭转，导致钢筋扭曲，突出柱外，没有剪力墙的一端柱子塌落，楼板塌下；如果每个独立结构单元两端质量和刚度相差悬殊，地震作用下也会产生很大扭转，钢筋混凝土柱出现典型的交叉裂缝；如果建筑平面复杂，每层的平面布置不同，使结构的框架方向改变，有些柱子上、下错位，有些柱子上、下的形状和长边方向改变，还有布置深梁后形成的短柱，地震时有可能底层柱折断，上层整体塌落；如果在房层的一端每开间均有横墙，而另一端多为两开间或三开间的大房间，地震时则一端破坏轻微，另一端发生严重的剪切破坏；当结构平面形状不规则时，如为L形平面，破坏时交叉斜裂缝的宽度可达100mm；单层厂房以横向破坏为主时，靠近山墙的排架破坏轻，远离山墙的排架破坏重，仅一端有山墙的厂房区段，伸缩缝附近排架柱的破坏程度，比其它排架柱的破坏严重得多。

对单一受扭构件的破坏的研究表明，适筋受扭构件以延性形式破坏，少筋及超筋构件以脆性形式破坏，也即破坏没有明显塑性变形，破坏是突发性的类似破坏。但对于整体结构来讲，当结构发生扭转破坏时，塑性变形量小，破坏具有突发性，属脆性破坏范畴。下面的例子将更好地说明这一点。

2. 53减轻扭转破坏的方法

由于地面运动、建筑物质量分布的不均匀、结构刚度计算的局限性、设计假定的正确程度以及抗扭构件的非对称性破坏等将引发结构的扭转振动，高层建筑结构的扭转振动是难以避免的。在设计中应尽量防止结构具有较大的扭转效应，同时，在构造上采取措施，以减小扭转。

2. 53. 1改善扭转效应

改善扭转效应的原则：削弱中间，加强周边。改善扭转效应主要的方法有：1）建筑平面及其抗侧力结构平面布置规则、对称，并应具有良好的整体性；2）建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变；3）尽量加大周边构件截面，增大平面抗扭刚度；4）加厚离质心较远处的剪力墙厚度，使质心刚心重合，减小偏心率；5）平面凹凸不规则处加拉梁，有条件的应增设拉接楼板；6）刚度很大的筒体可加开结构洞以减小刚度偏心，楼板薄弱处局部加厚。

2. 53. 2抗扭措施

1.根据建筑高度的不同，选择合适的结构类型。2.框架结构和框架一剪力墙结构中，框架和剪力墙均应双向设置，柱中线与剪力墙中线、梁中线与柱中线之间的偏心距不宜过大。3.关于剪力墙：剪力墙宜贯通房屋全高，且横向与纵向剪力墙宜相连；设置在墙面不需要开大洞口的位置；房屋较长时，纵向剪力墙不宜设置在端开间；剪力墙洞口宜上下对齐。4.框架一剪力墙基础应有良好的整体性和抗转动能力。5.框架的角柱，其调整后的组合弯矩设计值、剪力设计值尚应乘以不小于1. 1增大系数。6.剪力墙各墙肢截面组合的弯矩设计值，一级剪力墙的底部加强部位及以上一层，应按墙肢底部截面组合弯矩设计值采用，其它部位，应乘以增大系数1. 20。7.一、二、三级剪力墙底部加强部位，其截面的剪力墙设计值应乘以增大系数，一级为1. 6，二级为1. 4，三级为1. 20。8.侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架一剪力墙结构，任一层框架部分的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框架一剪力墙结构分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1. 5倍二者的较小值。9.柱的纵向钢筋，边柱、角柱及剪力墙端柱的钢筋面积增大。

2. 64抗扭设计的规定

早在1957年，Rosenblueth就已经明确指出，地震时地面运动存在着转动分量，但地面转动分量的强震观测是一项复杂的工作，由于受地震观测水平所限，对转动分量的作用了解甚少，目前还有许多没有解决的问题，尽管也有一些转动分量的记录，但是这些记录的可靠性难以保证。因此，对于地震运动的转动分量引起的结构扭转效应研究较少，现有的研究主要是从理论方面进行一些探索；国内外的震害经验表明，由于结构本身的不规则所造成的扭转效应是造成结构破坏的一个主要原因，在某些情况下，甚至可能是主要原因。因此，目前国内外研究者以及各国的抗震规范对于结构的扭转效应问题的考虑主要集中在结构本身的不规则性上。结构的抗扭设计，一般从两个方面入手，一是减少地震引起的扭转，二是增

加结构抵抗扭转的能力。