高層建筑豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王雪濤

大象建筑設(shè)計(jì)有限公司 310000

摘要：結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)的抗震性能起決定性作用，而結(jié)構(gòu)布置則是概念設(shè)計(jì)的重要體現(xiàn)，本文通過結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對結(jié)構(gòu)的豎向布置而展開探討，提出如何布置有利的高層建筑結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件，為同行提供借鑒。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；豎向布置；結(jié)構(gòu)布置

一、結(jié)構(gòu)豎向布置技術(shù)要求

對由風(fēng)荷載控制的高層建筑，由于作用于房屋的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值是隨離地面的高度加高而增大，故宜采用上小下大的梯形或三角形立面。其優(yōu)點(diǎn)是可有效地縮小了較大風(fēng)荷載值的受風(fēng)面積，使樓房下部的風(fēng)載傾覆力矩較大幅度地減?。欢覐纳系较聵菍拥目雇苿偠群涂箖A覆能力增長較快，與風(fēng)載水平剪力和傾覆力矩的增長情況相適應(yīng)；樓房周邊向內(nèi)傾斜的豎向承力構(gòu)件軸力的水平分力，可部分抵消各樓層的風(fēng)荷載水平剪力?？拐鹪O(shè)計(jì)的高層建筑，其立面形狀宜規(guī)則、簡單，也應(yīng)該采用矩形、梯形、三角形或雙曲線梯形等沿高度均勻變化的簡單幾何圖形。當(dāng)采用三角形、梯形、雙曲線梯形等上小下大的簡單立面形狀的高層建筑，由于整個建筑的質(zhì)心位置下降，地震傾覆力矩減小，將取得與抗風(fēng)同樣的經(jīng)濟(jì)效果。臺階多次逐漸內(nèi)收的立面形狀，也是較好的立面形狀。不規(guī)則立面形狀的高層建筑，地震作用下高振型的不利影響加??；同時(shí)平面尺寸突然減小的樓層.可能因塑性變形集中效應(yīng)而使其層間側(cè)移值成倍地增長，對抗震不利。

二、豎向構(gòu)件布置

結(jié)構(gòu)的豎向布置要做到剛度均勻而連續(xù)，避免剛度突變，避免薄弱層，抗震設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小。構(gòu)件上下層傳力直接、連續(xù)。當(dāng)?shù)讓踊虻撞咳舾善鹑∠糠旨袅蛑訒r(shí)，應(yīng)加大落地剪力墻和下層柱的截面尺寸，盡量減少剛度削弱的程度，避免產(chǎn)生剛度突變，并提高這些樓層的樓板厚度。

如果建筑功能需要從中間樓層取消部分墻體時(shí)，則取消的墻不多于總墻量的1/4。日本阪神地震，中間部分樓層破壞是一個顯著特點(diǎn)。許多8～10層的框架結(jié)構(gòu)在第4、5層的部分柱子被壓壞，造成上部樓層下落，重疊在一起。原因可能就是中部樓層柱子截面尺寸、材料強(qiáng)度改變或取消了部分剪力墻，在 中部樓層產(chǎn)生剛度或承載力突變，從而形成結(jié)構(gòu)薄弱層。

如果在頂層取消部分剪力墻或內(nèi)柱，頂層取消的剪力墻也不宜多于總墻量的1/3。框架取消內(nèi)柱后，全部剪力應(yīng)由外柱箍筋承受，因此對于頂層柱的箍筋應(yīng)全部加密。對高層建筑結(jié)構(gòu)豎向體型的不規(guī)則，除了在收進(jìn)和外挑的水平尺寸上作出規(guī)定外，還在以下兩方面加以限制：1）抗震設(shè)計(jì)的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度與相鄰上部樓層側(cè)向剛度的比值。2）高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力與上一層的比值。

三、豎向結(jié)構(gòu)規(guī)則性布置

建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性對結(jié)構(gòu)的抗震能力至關(guān)重要，南美洲的馬那瓜地震中兩幢相隔不遠(yuǎn)的高層建筑的震害情況很能說明問題。對比二棟高層建筑，相隔不遠(yuǎn)，一幢是15層的中央銀行，另一幢是18層的美洲銀行大廈。前一幢的建筑結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不規(guī)則，地震時(shí)破壞嚴(yán)重，地震后拆除，后一幢建筑結(jié)構(gòu)很規(guī)則，地震時(shí)只輕微損壞，地震后僅稍加修理便恢復(fù)使用。對于中央銀行來說，其平面不規(guī)則具有極大的扭轉(zhuǎn)偏心效應(yīng)，4層以上的樓板僅50mm厚擱置在14m長的小梁上，小梁的全高僅450mm，這樣一個樓面體系是十分柔弱的，抗側(cè)力的剛度很差，在水平地震作用下產(chǎn)生根大的樓板水平變形和豎向變形。另外，該建筑的豎向不規(guī)則性體現(xiàn)在，塔樓的上部（四層樓面以上），北、東、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在四層樓板水平處的過渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（柱子的間距達(dá)9.4m）。形成上下兩部分嚴(yán)重不均勻，不連續(xù)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)）。由于這樣的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，該建筑在這次地震中遭受了以下的主要破壞：第四層與第五層之間（豎向剛度和承載力突變），周圍柱子嚴(yán)重開裂，柱鋼筋壓屈；橫向裂縫貫穿三層以上的所有樓板（有的寬達(dá)10mm），直至電梯井的東側(cè)；塔樓的窗下和電梯井處的空心磚填充墻及其他非結(jié)構(gòu)構(gòu)件均嚴(yán)重破壞或倒塌。

通過對這幢建筑在地震后進(jìn)行了計(jì)算分析，分析結(jié)果表明：①結(jié)構(gòu)存在十分嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；②塔樓四層以上北面和南面的大多數(shù)柱子抗剪能力大大不足，率先破壞；②在水平地震作用下，柔而長的樓板產(chǎn)生可觀的豎向運(yùn)動等等。震害表明，框架柱或剪力墻不連續(xù)，樓層柔弱或樓板大開洞等，往往會造成結(jié)構(gòu)不規(guī)則的地震作用傳遞途徑。如果這些不規(guī)則傳力部位處相鄰構(gòu)件的強(qiáng)度差異較大，就容易引起這部分構(gòu)件的非彈性變形集中，這些部位都是抗震上的不利之處。

實(shí)際上引起建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則的因素還有很多，特別是復(fù)雜的建筑體型，很難—一用若干簡化的定量指標(biāo)來劃分不規(guī)則的程度并規(guī)定限制范圍，但是，有經(jīng)驗(yàn)的、有抗震知識素養(yǎng)的建筑設(shè)計(jì)人員應(yīng)該對所設(shè)計(jì)的建筑的抗震性能有所估計(jì)，要區(qū)分不規(guī)則、特別不規(guī)則和嚴(yán)重不規(guī)則等的不規(guī)則程度，避免采用抗震性能差的嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。

四、工程實(shí)例

某公寓樓地下1層，地上南樓22層，北樓23層，結(jié)構(gòu)高度為73.200 m，另有2層局部突出，結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)高度為79.800m，結(jié)構(gòu)平面尺寸為22.4m×44.4m，高寬比為3.26，公寓樓單體建筑面積約2萬m2?？拐鹪O(shè)防烈度為6度；設(shè)計(jì)地震分組為第一組；基本地震加速度值為0.05，建筑場地類別為iii類；建筑結(jié)構(gòu)抗震等級：剪力墻為三級，框架四級，框支柱二級，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05；基本風(fēng)壓取0.9kn/m2，；結(jié)構(gòu)體系為部分框支剪力墻。

建筑設(shè)計(jì)方案造成結(jié)構(gòu)平面與豎向布置不規(guī)則，一方面，南北兩幢樓兩個主軸方向剪力墻布置剛度差異較大，且因建筑要求不能在剪力墻和框架柱處連續(xù)布置，抗側(cè)力體系連接較薄弱；另一方面由于建筑要求外立面開有較大的落地窗，周邊剪力墻較少、多為一字形墻，有墻垛者也較小，僅為500mm長，并設(shè)有角窗；角部既無墻亦無柱致使結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則，抗扭剛度較小。對原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)電算表明：公寓樓的第一振型為扭轉(zhuǎn)平動耦合振型，按《高規(guī)》其扭轉(zhuǎn)基本周期與平動基本周期之比不應(yīng)大于0.9，而本工程計(jì)算結(jié)果大于1.1。結(jié)構(gòu)豎向布置，由于消防車道的架空的要求，北樓北側(cè)的剪力墻無法落地，只能框支轉(zhuǎn)換。少數(shù)轉(zhuǎn)換大梁支承在單片墻上，致使結(jié)構(gòu)堅(jiān)向布置不規(guī)則。

本工程除綜合模型的分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還采取了以下構(gòu)造措施：剪力墻的布置根據(jù)不同的平面位置采用不同的墻體厚度，周邊的剪力墻厚一些，小間部位的剪力墻薄一些，同時(shí)對剪力墻的布置及連梁高度進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)加高周邊框架梁及連梁的高度至700mm，調(diào)整使得結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期比值為0.864小于0.9，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層問位移小于該樓層平均值的1.4倍。同時(shí)加大一字形山墻的豎向配筋，角窗部位的樓板內(nèi)加設(shè)斜向構(gòu)造粗鋼筋，且轉(zhuǎn)換構(gòu)件層上下樓板厚度加大剛度加大。

五、結(jié)語從工程實(shí)踐表明，對于高層建筑的豎向體形宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。應(yīng)以結(jié)構(gòu)在水平荷載（地震作用；風(fēng)荷載）作用下產(chǎn)生最小的內(nèi)力和變形為最佳。

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