淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳建輝 劉擁軍

摘要：近幾年來，高層建筑的日益增多，致使地震的發(fā)生所帶來的破壞逐漸變大，所以須在結(jié)構(gòu)上采取有效措施，從而使高層建筑的抗震性得以提高，本文從實際出發(fā)，談談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震設(shè)計

1 引言

改革開放后，是我國高層建筑在設(shè)計計算及施工技術(shù)各方面迅速發(fā)展的階段。各大中城市普遍興建高度在100m左右或100m以上的以鋼筋為主的建筑，建筑層數(shù)和高度不斷增加，功能和類型越來越復雜，結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化。進入九十年代我國高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工技術(shù)進入了新的階段。不僅結(jié)構(gòu)體系及建筑材料出現(xiàn)多樣化而且在高度上長幅很大有一個飛躍。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)體系的選擇

由于抗水平力的設(shè)計在高層建筑已成為主要矛盾，因此抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題。根據(jù)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可分為框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等幾種結(jié)構(gòu)體系，這些體系的受力特點、抵抗水平力的能力是不同的，特別是抗震性能是不同的，因此具有不同的適用范圍。

框架結(jié)構(gòu)由梁、柱構(gòu)件通過節(jié)點連接構(gòu)成，不僅在豎向荷載作用下，還要承受水平荷載，并能提供建筑室內(nèi)空間布置靈活。當建設(shè)層數(shù)較少時，水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響較小，結(jié)構(gòu)更為合理，當層數(shù)較多時，由于框架結(jié)構(gòu)的影響在水平力作用下，內(nèi)力分布是不均勻的，并存在層間屈服強度特別薄弱層，且由于框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面慣性矩相對較小，導致側(cè)向剛度較小，側(cè)向變形較大。在強烈地震作用下，結(jié)構(gòu)的薄弱層率先屈服，發(fā)生彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中的現(xiàn)象，震害一般是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更容易發(fā)生破壞，除剪跨比較小的短柱易發(fā)生柱中剪切破壞外，一般柱是柱端的彎曲破壞。因此，框架結(jié)構(gòu)屬于剪切變形的柔性結(jié)構(gòu)，限制使用高度，主要用于非抗震設(shè)計和層數(shù)相對較少的建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻沿水平，垂直或斜軸正交布置，鋼筋混凝土墻的水平荷載和豎向荷載作用下，屬于彎曲變形的剛性結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度比框架結(jié)構(gòu)大得多，在水平力作用下側(cè)向變形小，空間整體性好。剪力墻結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)可分為單肢墻、小開口墻、聯(lián)肢墻，單肢墻和小開口墻的截面內(nèi)力完全或接近于按材料力學公式成直線分布規(guī)律，其平衡地震力矩只靠截面內(nèi)力偶負擔。聯(lián)肢墻則通過連系梁使許多墻肢共同工作，地震力矩可由多個墻肢的截面內(nèi)力矩與連梁對墻肢的約束力矩共同負擔，設(shè)計原則是梁先屈服，然后墻肢彎曲破壞喪失承載內(nèi)力。當連梁鋼筋屈服并且有延性時，即可吸收大量地震能量，又能繼續(xù)傳遞，彎矩和剪力，對墻肢有一定的約束作用。由于剪力墻結(jié)構(gòu)自重大，建筑平面布置局限性大，難以滿足建筑內(nèi)部大空間的要求。因此其更多地用于墻體布置較多，房間面積要求不太大的建筑物中，既減少了非承重隔墻的數(shù)量，也可使室內(nèi)無外露梁柱，達到整體美觀。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是指在適當?shù)奈恢迷诳蚣芙Y(jié)構(gòu)中加入剪力墻，是剛?cè)嵯嘟Y(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，可以提供建筑使用空間的大開間，是由多個單片剪力墻和框架組成。在這種結(jié)構(gòu)體系中，框架和剪力墻共同承擔水平力，但由于兩者剛度相差很大，變形形狀也不相同，必須通過各層樓板使其變形一致，達到框架和剪力墻的協(xié)同工作。從受力特點看，剪力墻彎曲變形，框架主要是剪切變形，由于變位協(xié)調(diào)，在頂部框架協(xié)助剪力墻抗震，在底部剪力墻協(xié)助框架抗震，抗震性能由于更好地發(fā)揮各自的優(yōu)勢，大大提高了。它可以滿足各種不同高度建筑物的要求而廣泛應用。

以上分析了三種常用的鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系的特點，通過分析比較看出，選擇高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系通常需要考慮的兩個主要原因是建筑物的高度和用途。

2.2結(jié)構(gòu)類型的選擇

高層建筑本質(zhì)上是一個垂直的懸臂結(jié)構(gòu)，豎向荷載主要是軸向力的結(jié)構(gòu)，與建筑物的高度一般為線性關(guān)系；水平荷載引起結(jié)構(gòu)的彎矩。從應力特征，豎向荷載不變，隨著建筑的增高而增加；而水平荷載，從任何方向均布載荷時，彎矩和建筑物的高度是兩倍的變化。從側(cè)移特性看，豎向荷載引起的側(cè)移很小，而水平荷載當為均布荷載時，側(cè)移與高度成四次方變化。由此可見，在高層建筑結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響比垂直荷載的影響更大，水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素，結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應力和壓應力應有較大的強度外，同時要求結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度，使隨著高度增加所引起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。

根據(jù)高層建筑的受力特點，在一定的物質(zhì)和技術(shù)條件下，在設(shè)計中為了滿足建筑功能和抗震要求，結(jié)構(gòu)類型具有良好的經(jīng)濟效益和建設(shè)速度是非常必要的。高層建筑的結(jié)構(gòu)類型主要用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有強度高，重量輕的優(yōu)點，抗震性能好，施工周期短，與鋼結(jié)構(gòu)截面相對較小，具有良好的延展性，適用于靈活的程序結(jié)構(gòu)。其缺點是成本相對較高，當場地土特征周期較長時，易發(fā)生共振。與鋼結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大，整體空間好，成本低，原材料豐富等優(yōu)勢，可以組成多種結(jié)構(gòu)體系，以適應施工要求的各種類型，廣泛應用于高層建筑，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結(jié)構(gòu)。其突出缺點是結(jié)構(gòu)自重大，抵抗塑性變形能力差，施工工期長，當場地土特征周期較短時，易發(fā)生共振。因此，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式，應取決于其結(jié)構(gòu)和材料的性能，同時也取決于土壤類型，土壤和建筑物避免共振。

2.3結(jié)構(gòu)布置的選擇

在高層建筑的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)布置一般應考慮以下幾點：

（1）應滿足建筑功能要求，做到經(jīng)濟合理，便于施工。建筑物的開間、進深、層高、層數(shù)等平面關(guān)系和體型除滿足使用要求外，還應盡量減少類型，盡可能統(tǒng)一柱網(wǎng)布置和層高，重復使用標準層。

（2）高層建筑的位移控制是主要矛盾，除了平面體型和立面變化等方面考慮，應考慮提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小結(jié)構(gòu)位移。在結(jié)構(gòu)安排上，應加強整體結(jié)構(gòu)和連接的剛度，加強構(gòu)件的連接，使結(jié)構(gòu)各部分以最有效的方式共同作用；加強基礎(chǔ)的整體性，以減少由于基礎(chǔ)平移或扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的側(cè)移影響，同時，我們要注意加強結(jié)構(gòu)的薄弱部位和復雜應力部位的強度。此外，增強整體寬度也可以減小側(cè)向位移，在其他條件不變的情況下，變形與寬度的三次方成正比。因此宜對建筑物的高寬比加以限制，體型扁而重的建筑是不合適的，宜采用剛度較大的平面形狀，如方形、接近方形的矩形、圓形、Y形和#形等塔式建筑，即把使用要求及建筑體型多樣化和結(jié)構(gòu)的要求有機地結(jié)合起來，又可形成側(cè)向穩(wěn)定的體系。

（3）在地震區(qū)，以減少對全局和局部的不良影響結(jié)構(gòu)的地震作用，如扭應力集中的影響，建筑平面形狀宜規(guī)正，避免過度伸展或收縮，沿高度的層間剛度和層間屈服強度的分部要均勻，主要抗側(cè)力豎向構(gòu)件，其截面尺寸、砼強度等級和配筋量的改變不宜集中在同一樓層內(nèi)，應糾正“增加構(gòu)件強度總是有利無害”的非抗震設(shè)計概念，在設(shè)計和施工中不宜盲目改變砼強度等級和鋼筋等級以及配筋量。簡單地說，每個部分的對稱結(jié)構(gòu)的剛度，結(jié)構(gòu)單元的形狀應該是簡單的規(guī)則，垂直型應避免擴展和收入結(jié)構(gòu)，避免了豎向剛度突變。平面的長寬比不宜過大，以避免兩端相距太遠，振動不同步，應使荷載合力作用線通過結(jié)構(gòu)剛度中心，以減少扭轉(zhuǎn)的影響。特別是建筑電梯的布置。

2.4 提高結(jié)構(gòu)的抗震性能

由于高層建筑的特征應力不同于低層建筑，因此在地震區(qū)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，除了結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度，而且具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設(shè)計，使建筑小震不壞，中震可修，大震不倒。為了滿足這一要求，結(jié)構(gòu)必須吸收地震能量的能力產(chǎn)生一定的塑性變形，削弱地震破壞的影響。

框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計應使節(jié)點沒有破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生，在同一層的柱端屈服過程盡可能長的時間，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應使梁！柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠的延性和地震作用下的承載能力，應按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則，對柱截面尺寸的合理選擇，控制軸壓比，注意構(gòu)造配筋要求，特別是要加強節(jié)點的構(gòu)造措施。

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)在各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下彎剪破壞，且塑性屈服的墻盡可能多在底部。連梁宜在梁端塑性屈服，并有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效，按照“強墻弱梁”加強承載力剪力墻的原理，以避免墻肢的損壞，提高抗震能力。

3 結(jié)束語

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)布置、抗震性能等方面經(jīng)過概念設(shè)計，從而更有效地創(chuàng)造新的措施和計劃，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。國家對高層建筑抗震設(shè)計的要求也不斷作了提高，這樣會使我國的高層建筑在抗震設(shè)計方面必將進入新的階段，這樣地震能給我們帶來的損失將會變得很小。