建筑结构抗扭设计初探

【摘要】历次震害表明，很大一部分建筑物破坏是因为扭转引起。本文对建筑结构设计中的抗扭设计做了简单的分析。

【关键词】建筑结构；扭转因素；抗扭设计

地震造成的建筑物扭转破坏实例很多，地震作用本身是多方向的，存在扭转分量，目前尚无实测资料，也无法计算。因此结构的抗扭设计必须引起结构工程师的重视，本文对结构扭转产生的原因进行了分析，并提出了一些解决问题的方法和措施，希望能对结构设计能有所裨益。

1 造成建筑结构的扭转的因素

1.1 外力作用。地震时地面质量间具有运动的差别性，使地面不仅产生平动分量，同时也产生转动分量，正是后者迫使结构产生了扭转。但由于地震观测的工作条件复杂，使得扭转分量的相关理论和计算方法还不成熟，一些实际技术工作也没能得到解决。

1.2 建筑平面不规则

平面不规则的建筑物在地震中容易产生扭转破坏，这已经在历次地震中得到了验证。例如带有较长翼缘的L形、U 形、H形、T形、十字形、Y 形平面、长宽比很大的长条形平面，因为此类平面在地震时容易发生差异侧移导致扭转，从而使建筑物严重破坏。

1.3 平面刚度不均匀

当建筑结构的平面刚度不均匀，刚度中心与质量中心之间相差较远时，会导致地震作用下结构的扭转破坏。

1.4 质量分布不均匀

当建筑物质量分布不均匀，质量偏心会引起扭转，质量集中在周边也会加大扭转。

1.5 结构抗扭刚度弱

结构抗扭刚弱亦容易引起扭转破坏，结构应具有一定抗扭刚度。

2 建筑结构抗扭设计的具体措施

2.1 建筑方案阶段结构专业应预先介入

建筑师为追求建筑外观效果，建筑方案平面、立面均比较复杂，为避免出现严重不规则的平面布置，结构工程师应预先介入，与建筑师配合协调，使建筑平面尽量规则简单，符合抗震概念设计。

2.1.1 控制平面布置宜简单、规则、对称，减少偏心。对L形、H形、T形、十字形、Y 形平面突出部分长度进行控制，使之符合《高层建筑混凝土结构技术规程》表4.3.3的要求；

2.1.2 控制建筑平面的长宽比。当建筑物长宽比较大时，不符合楼板在平面内无限刚性的假定。在地震作用下，采用楼板在自身平面内无限刚假定进行计算的结果不符合地震反映的结果，容易产生扭转破坏。在风力作用下，也会出现因风力不均匀及风向紊乱变化而引起的结构扭转、楼板平面挠曲等现象。为了避免楼板变形带来的复杂受力情况，建筑物长度应加以限制。当设防烈度为6度和7度时，长宽比不宜超过6；当设防烈度等于或大于8度时，长宽比不宜超过5。

2.2 结构设计阶段的抗扭设计

为了减少结构的扭转变形和提高结构的抗扭能力，《抗震规范》提出了位移比的要求，《高规》提出了两个量化指标：结构平面布置应减少扭转影响。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倍；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与平动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。其中位移比限制结构平面布置不规则性，避免过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，周期比限制结构的抗扭刚度不能太弱。结构设计过程中可从以下7个方面着手，使结构抗扭能力符合规范要求。

2.2.1 高层建筑宜调整平面形状和结构布置，避免结构平面不规则；当建筑物平面形状复杂而又无法调整其建筑方案使之成为较规则的结构时，可设置防震缝将其划分为较简单的几个结构单元。

2.2.2 在布置抗侧力结构时，应尽量均衡地布置抗侧力构件，使结构的刚度中心和质量中心尽量重合，避免过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，使结构的位移比满足规范要求。

（1）如计算出的周期比Tt／T1仍不能满足规范要求，应调整抗侧力构件的布置，增大结构的抗扭刚度。调整时如结构的层间位移角刚刚满足规范，结构刚度富裕量不大，可以均衡地加强结构外圈刚度；如结构的层间位移角远小于规范限值，结构刚度富裕量很大，可以在加强结构外圈刚度的同时，均衡地削弱结构内筒中心抗侧力构件的刚度，效果更为明显。

（2）抗侧力构件应按“均匀、分散、对称、周边”的原则，使平面刚度分布均匀，并使平面刚心和质心尽可能地接近。

（3）加大周边构件的截面，加大内筒与周边剪力墙主要连接构件的截面，增强结构整体性，从而有效增加抗侧刚度，减小层问侧向位移。

（4）借助材料力学抗扭刚度概念，高层建筑结构从整体分析角度出发，剪力墙按“均匀、分散、对称、周边”的原则布置外还应符合以下要求，在抗扭刚度角度上，剪力墙分量(主要是长度)从外到里逐步减少，从抗侧移刚度角度上，剪力墙分量直线上均匀分布。

（5）由于转换层上下的剪切刚度比和建筑专业的限制，在无法增加落地剪力墙情况下，可在转换层以上的较长的墙肢中间开洞，这样可在扭转刚度降低不多情况下有效地降低转换层上层的剪切刚度，从而有效地降低剪切刚度比。

3 结语

扭转是地震作用下导致结构破坏的重要原因，所以结构设计必须重视结构的抗扭设计。除应满足规范控制结构扭转的两个量化指标外，还应加强概念设计。结构刚度均匀，刚心与质心应尽量重合，尚应具有一定的抗扭转能力。