高层建筑结构设计中的抗扭设计探究

彭杰

广西华蓝工程管理有限公司 广西 南宁 530000

1 高层建筑结构扭转因素分析

（1）外界因素干扰。地震发生时，地面间的差异运动，使地面一起发生平动与转动分量，而也正是由于地面间的转动分量使建筑结构发生了扭转变形。但因地震观测的复杂程度，以致关于扭转分量的计算方式不完善、理论体系不成熟，因此，在建筑抗震规范内还未对扭转分量的计算进行考虑。但却在规范中考虑了其可能会产生的影响：在对不规则建筑结构未开展扭转耦联计算时，需将与地震作用方向平行的两个边榀的地震作用效应乘以相应的增大系数，取值多为短边1.15，长边1.05，对扭转刚度不大的结构，取值应≥1.3。

（2）结构自身因素。对质心与刚心两者不相重合的建筑结构，往往会在地震作用的影响下出现扭转振动。即使隔层结构的质心与刚心相互重合，但整体质心所处轴线的方向不一致时，同样也会在地面转动分量、活载偏心以及其余复杂因素的共同影响下出现扭转振动。导致结构出现扭转损坏的因素多为平面刚度分布的均匀性，而对刚度均匀性产生影响的主要为剪力墙的布设情况。

（3）结构平面布置。对处于地震区域的高层建筑，其平面设计宜采取方形、矩形或圆形，且正六边形、正八边形也同样适用，但对于沿主轴方向不是全部对称的三角形平面，在发生地震时容易出现较大的扭转振动，因此，三角形平面结构在地震区域并不适用。此外，L形、U形、T形、十字形等平面布置形式存在较长的翼缘，此类平面在地震的作用下易出现差异侧移而加重震害破坏。

（4）结构立面布置。地震区域高层建筑的立面布置，较宜采用均匀布置的矩形、梯形等形式，而不宜采用形状突变的立面布置形式，以免突变的形状导致地震时质量和刚度的骤变，造成突变部位处因地震的作用而出现塑性变形加剧地震破坏。需要注意的是，在地震区域也不宜采用倒梯形或大底盘建筑，此类建筑形式的质量、刚度、强度分布不符合抗震设计原则，其质量分布与刚度上大下小，从而导致底部的薄弱程度增加，且较高的重心增加了倾覆力矩，也在一定程度上加大了地震时的破坏。此外，对处于地震区域的底盘较大的高层建筑，其底层裙房与上层主楼的连接位置处易引发刚度突然变化，从而导致上层主楼底部处易形成薄弱层，一旦地震发生就会因过于集中的塑性变形而出现较大破坏。

2 高层建筑结构抗扭设计要点

2.1 结构整体设计

（1）结构高宽比设计。对于高层建筑结构如何把控好侧向位移一直是设计工作者的关注重点，且随着高层建筑层数的不断增加，相应的倾覆力矩也在慢慢增大。由此可见，高层建筑的宽度过小时往往不能够满足结构的安全性要求，因此，对于层数较高建筑的高宽比应控制在5～6范围内，对于设防烈度超过8度时，应对高宽比予以更加严格的控制。

（2）结构平面设计。高层建筑长度较大时，在外界风荷载的长时间影响下，往往会致使建筑结构由于受到不规则的风力荷载变化而导致楼板出现平面扭曲现象或者结构扭转破坏等。为有效避免因楼板的扭曲或扭转变形造成反复复杂受力而导致结构安全性降低，须对高层建筑结构的长度予以严加控制。对于设防烈度为6～7度时，应控制建筑结构的长宽比＜6，对于设防烈度＞8度时，应控制建筑结构的长宽比＜5。不管高层建筑的结构形式如何，其平面的布置务须要遵循“相互对称、简单规则”的设计原则，以最大限度规避建筑楼板的扭转受力与复杂受力。同时，建筑结构的质心与刚心应尽可能保持重合，从而最大限度削弱扭转受力，通常而言，应控制其偏心率不得超过垂直外力作用线边长的5%。

（3）结构竖向设计。高层建筑结构的竖向设计须坚持“连续和均匀”的设计原则，防止建筑结构的刚度出现突变或者是间断不连续的情况。对处于地震频发区域的高层建筑，结构竖向设计严禁选择结构底部位置存在薄弱层以及完全由框支剪力墙组成的结构体系，同时，还要注意避免在某一层的中间部分出现剪力墙突然断开的情况，防止在结构中间部位形成软弱层而导致地震时出现扭转破坏。

2.2 抗扭配筋设计

研究表明，通过前期合理的配筋设计能够有效避免结构构件裂缝在使用荷载的作用下持续蔓延，从而避免早期阶段发生扭转破坏。

（1）箍筋的形式选择。处于建筑结构拉弯扭与纯扭构件的四个侧面往往会在一定概率上出现裂缝，因此，应注意在箍筋的设计时选择封闭形式，从而能够最大化抵御构件四个侧面上角部位外推力造成的影响。

（2）箍筋的布置间距。部分建筑构件在纯扭转力的作用下，使得被损坏侧面的斜向裂缝与纵轴呈45°左右，因此，在前期设计阶段，箍筋的间距布置应按照截面宽度范围内保留最大距离，进而确保斜线裂缝中间应至少能够穿过一根钢筋。

（3）箍筋的强度设计。当前我国建筑钢混结构构件，主要以冷拔低碳钢丝及Ⅰ级光面钢筋为主，对于构件截面会出现较大剪力以及扭转力的情况时，则可使用Ⅱ级变形钢筋，以最大限度发挥钢筋的韧性与刚度，从而防止扭转作用而造成的结构破坏。

（4）纵筋的直径与间距。纵向钢筋在扭矩的作用下，会受到拉力与混凝土销栓力的作用，同时，还会因斜压力的作用形成一定的外推力并作用于角部纵筋，使纵筋在一定程度上会发生扭转。因此，根据我国高层建筑工程的设计案例，通常情况下应确保纵筋的直径≥10mm，也有部分特殊情况采用8mm直径总经，但纵筋间距设置应＜30cm，从而确保在裂缝宽度能够收到合理的约束[2]。

（5）抗扭钢筋的配置范围。根据以往相关设计实践经验可知，因为扭曲作用对建筑结构构件的影响，使得纵向受力主筋与箍筋必须同时受力，由此来充分发挥扭转力的作用。因此，在进行箍筋的配置设计时，其延伸长度必须要根据纵筋的延展长度予以合理确定。

3 结束语

抗扭设计作为建筑结构设计的关键部分须给予绝对重视，在开展相应的结构设计时，务须全面考虑，综合防治，切实强化薄弱环节，做好相应抗扭设计，以促使建筑结构稳定保障建筑安全。