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扭转效应在高层建筑结构设计的运用

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【摘要】伴随着经济水平的提高,高层建筑得以快速发展,对于促进当地经济稳步发展意义重大。但从实际情况上来讲,工程施工中仍存在各种问题,以结构设计扭转效应问题为主,降低工程的施工质量。因此,需根据扭转效应的发生原因制定有效的控制措施,以提高建筑业的经济效益。下面,本文从扭转效应发生原因出发,综述控制扭转效应的原则和控制措施。

【关键词】高层建筑;结构设计;扭转效应;控制措施

1高层建筑结构设计中扭转效应的发生原因

所谓的扭转效应是计算建筑结构空间时,因项目工程结构不规则导致的结构位移。需重视的是,建筑的扭转效应指的是项目工程的主体部分,在自然灾害发生时,将严重破坏工程结构。调查结果显示,建筑结构设计中的扭转效发生原因主要包括这样几个因素:①外部因素。从外部因素上来讲,地震波是造成扭转效应的重要因素,以面波、纵波、横波为主。其中,面波会沿着地表结构蔓延,是破坏建筑工程的关键因素;横波会抖动地面,破坏性相对较强;②内部因素。对于建筑工程来讲,工程抗扭转刚度小是引起扭转效应的主要原因,逆转刚度对建筑工程结构所产生的关键作用是结构的地震扭矩。从力学角度上来讲,构建距离地质中心越远,抗扭转刚度也就越大。当地震作用在建筑工程时,将产生一定的破坏力,且该破坏力作用于建筑工程,而不产生扭转效应时,该点被称之为刚心。由此可见,刚心在建筑工程中并不是一成不变的,且随着相应因素的不断变化而变化。同时,地震作用在建筑工程时,若地质中心、刚心处于不重合状态,将不会发生扭转;若地质中心、刚心不重合出现偏心距时,将扩大扭转效应,影响高层建筑工程的施工质量。

2高层建筑结构设计中扭转效应的控制原则和措施

2.1控制原则

国家所颁布的《建筑抗震设计规范》曾明确提出建筑工程结构平面的扭转要求,且建筑工程的结构技术规程也明确要求在考虑偏心地震的情况下,楼层之间的构件水平、层间位移,建筑工程的最高高度不能高于平均值的1.1倍;对于B级建筑工程来讲,其高度不能大于该楼层平均值的1.1倍。从材料的力学角度上来讲,抗扭转构件距离地质中心越远,抗扭转刚度也就越大。因此,在抗扭转构件的布置过程中,应根据实际情况适当加大构件截面,以增大抗扭转刚度;在对高层建筑的结构进行设计时,尽可能的减少工程结构的刚心、偏心率,进而减小建筑工程的扭转效应。

2.2控制措施

2.2.1均匀、对称的布置抗侧力结构

在对高层建筑的抗侧力构件进行设计时,需严格遵循分散、均匀的原则,并尽最大限度的使工程结构刚度中心、质量中心处于接近状态。若高层建筑工程位移比例无法满足建筑需求时,通常是由抗侧力结构未均匀、对称分布导致的。比如:靠近建筑工程的一边布置剪力墙不均匀等。一般情况下,房屋的动力功能是由建筑工程结构的设置决定的,只有保证建筑工程的结构设计满足抗震需求,工程结构布局科学、合理的设置,才能保证高层建筑结构耐性。相反,高层建筑结构布局相对复杂,结构设计不符合标准,不但无法满足减震需求,还无法保证建筑工程的施工质量。

2.2.2保证结构平面宽度

现阶段,相对小型的高层建筑结构平面狭长是建筑工程的常见问题,这种类型的建筑工程虽能满足用户需求,但仍不能从根本上规避安全事故,降低工程质量。为有效预防上述现象的发生,可从这样几点进行:①给予小型的高层建筑框架结构,尽可能的脱开相对狭长的构造。若建筑工程专业不允许,可在工程的大端部分添加抗侧力刚度,以有效控制建筑的扭转效应。若建筑工程专业允许,可在建筑工程中间适当添加框架柱,简单来讲就是增加框架跨数。该方法的应用不但能增加建筑工程梁线刚度,还能提高项目工程结构的抗扭转刚度;②给予相对小型的高层建筑框架剪力墙结构,因建筑工程房屋高度不是特别高,通常将剪力墙放置在电梯、楼梯之间,这些抗侧力构造一般处于集中分布状态,扭转效应相对较大。在这种情况的影响下,需削弱中间部分的剪力墙,在工程外侧添加剪力墙,这时的抗侧力刚度过大,间接增大高层建筑工程的施工成本。由此可见,若建筑工程中能使用框架体系,尽量不使用框架剪力墙体系,进而更好满足控制扭转效应需求。

2.2.3平面扭转效应

地震发生时,因建筑工程结构设计不规则、结构扭转刚度低等因素的存在,导致建筑工程严重受损,影响施工质量。但在对高层建筑结构进行设计时,将无法满足刚心、质心的重合需求,且工程结构的规则性设计也存在一定难度。同时,因建筑工程场地、施工情况的限制,在空间的布局上也无法按照相应标准、需求设计。故而,在高层建筑结构的设计过程中,要想有效控制扭转效应,应根据实际情况适当调整抗侧力结构,以满足抗震需求。

2.2.4控制建筑结构的周期

比通过对高层建筑抗扭转刚度的适当调整,能从某种程度上改变抗扭转刚度、抗侧刚度,以有效控制高层建筑的结构周期比,提高建筑工程的抗扭转性能。从实际情况上来讲,可从这样几点改变抗扭转刚度:①根据工程情况增加剪力墙厚度,以增强工程的扭转周期;②在对高层建筑结构的拉梁进行设计时,需适当增加拉梁刚度,进而实现缩短扭转周期、增强抗扭转强度的目标。

2.2.5尽量加大周边抗侧力结构刚度

为从某种程度上加大高层建筑工程结构的抗扭转刚度,除科学、合理的布置工程的抗侧力结构外,还应尽量加大周边抗侧力结构刚度,主要表现为这样几点:①将建筑工程的单向剪力墙设置成形剪力墙,并尽量将其延长。当然,该操作中不能开转角窗;②加厚建筑工程的剪力墙厚度;③增加建筑工程周边剪力墙连梁高度,通常剪力墙的连梁高度确定是取楼板、下层门窗顶高度之间的距离。为从某种程度上增加高层建筑的剪力墙抗扭转刚度,可将楼面上、下方的高度部分演变成连梁,便于增强结构刚度,保证工程质量。

3小结

综上所述,伴随着经济水平的持续上涨,建筑业快速发展。但从实际的工程施工上来讲,因扭转效应问题的存在,影响着工程的施工质量。本文通过对高层建筑结构设计中的扭转效应进行分析得知,引起扭转效应的因素以内部因素、外部因素为主,故项目工程的结构设计过程中需根据实际情况调整抗扭转刚度,制定符合标准的结构设计措施,以在增强抗震性能的同时,消除地震的扭转效应,保证高层建筑工程的顺利施工。

参考文献

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[4]刘宇.高层建筑结构设计中扭转效应的控制方法[J].城市建设理论研究,2014,20(10).

[5]许智豪.高层建筑结构设计中扭转效应的控制方法[J].装饰装修天地,2016,21(5):14

作者:黄生河 单位:张家界第一建筑设计有限公司

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