論高層結(jié)構(gòu)的水平位移控制

摘要：高層建筑的受力特征表現(xiàn)為水平荷載組合起控制作用，即通常所說的地震作用或風(fēng)荷載組合起控制作用。在承載能力極限狀態(tài)下，建筑結(jié)構(gòu)以構(gòu)件強度破壞或者失穩(wěn)為判斷標(biāo)準(zhǔn)，而正常使用極限狀態(tài)下，建筑結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件變形超過規(guī)定值為控制標(biāo)準(zhǔn)，而本文探討的正是正常極限狀態(tài)下高層建筑水平位移及位移比的控制要求。

關(guān)鍵詞：高層；位移控制；位移比控制

《民用建筑設(shè)計通則》（GB 50352—2005）、《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50045-95）將10層及10層以上的住宅建筑和高度超過24m的公共建筑和綜合性建筑劃稱為高層建筑。

一、高層建筑位移控制的必要性

高層建筑在水平地震作用或者風(fēng)荷載作用下，將產(chǎn)生水平位移和振動。當(dāng)水平位移、振動頻率及振動周期超過舒適度極限值時，人作為建筑物的使用主體表現(xiàn)的不安和恐慌。盡管判斷舒適度的標(biāo)準(zhǔn)有多種，但目前采用最多的是建筑的最大加速度，風(fēng)荷載或地震作用的加速度越大，舒適度越低。根據(jù)振動舒適度的煩惱率設(shè)計理論研究以及統(tǒng)計分析知，人所受的加速度是有限的，常人在3g的加速度條件下就會產(chǎn)生嚴(yán)重的頭暈惡心嘔吐癥狀，在5g條件下心腦血管會嚴(yán)重受損有生命危險?；谶@一舒適度要求，得出對應(yīng)的加速度和對應(yīng)的高層最大位移控制要求、最大層間位移比要求和周期比限制。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50010-2010》5.4.1-5.4.2規(guī)定，高層建筑在質(zhì)量或者剛度偏心情況下，應(yīng)考慮P-Δ效應(yīng)。P-Δ效應(yīng)又稱為重力二階效應(yīng)是指由于結(jié)構(gòu)的水平變形而引起的重力附加效應(yīng)，可稱之為重力二階效應(yīng)，結(jié)構(gòu)在水平力（風(fēng)荷載或水平地震力）作用下發(fā)生發(fā)生水平位移，水平位移與重力荷載乘積為傾覆力矩，傾覆力矩越大，水平位移越大，重力二階效應(yīng)越顯著。當(dāng)結(jié)構(gòu)水平位移超過層間位移角限值時，結(jié)構(gòu)可能因重力二階效應(yīng)而發(fā)生承載能力界限狀態(tài)下的強度和失穩(wěn)破壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移時，建筑物質(zhì)量中心和剛度中心不重合，若本身自帶偏心，此時P-Δ效應(yīng)加劇。加劇的P-Δ效應(yīng)又使得位移增大，而增大的位移又使得P-Δ效應(yīng)加劇，兩者形成惡性循環(huán)，可能達(dá)到建筑物的承載能力極限狀態(tài)從而導(dǎo)致強度破壞或者失穩(wěn)。

二、高層建筑水平位移控制標(biāo)準(zhǔn)及計算原理

在水平荷載作用下，高層建筑應(yīng)對最大位移進行控制。多高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有必要的剛度，在正常使用條件下限制建筑結(jié)構(gòu)層間位移的主要目的有兩個：首先保證結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件如剪力墻、柱、梁板、基礎(chǔ)裂縫控制在規(guī)范強制性限值內(nèi)，抗震設(shè)防烈度下或者設(shè)計風(fēng)荷載作用下破壞程度為小修或者不修。第二，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如門窗、填充墻、玻璃幕墻、局部裝飾構(gòu)件等）在抗震設(shè)防烈度下或者設(shè)計風(fēng)荷載作用下破壞可修。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ-2010和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010均規(guī)定，各類結(jié)構(gòu)多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的樓層內(nèi)最大的彈性層間位移Δue應(yīng)不大于彈性層間位移角限值與計算樓層層高之乘積[θe]h，彈性層間位移角限值[θe]見下表。

第i層的Δu/h指第i層和第i-1層在樓層平面各處位移差Δu不扣除整體彎曲變形。由于多高層建筑結(jié)構(gòu)在水平力（水平地震作用或風(fēng)荷載）作用下幾乎都會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，所以Δu的最大值一般在結(jié)構(gòu)單元的邊角部位。

高層建筑結(jié)構(gòu)的水平地震作用下最大位移，應(yīng)在單向水平地震作用時不考慮偶然偏心的影響，采用考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)振動影響的振型分解反應(yīng)譜法進行計算，并應(yīng)采用剛性樓板假定。

風(fēng)荷載作用下，荷載分布呈倒三角形。風(fēng)荷載具有靜力和動力作用的雙重特點，其靜力部分稱為穩(wěn)定風(fēng)，動力部分稱為脈動風(fēng)。脈動風(fēng)的作用會引起高層建筑的振動（簡稱風(fēng)振）這在高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計中必須加以考慮的。風(fēng)載的大小的影響因素：主要和近地風(fēng)的性質(zhì)、風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)；和該建筑物所在地的地貌及周圍環(huán)境有關(guān)；同時和建筑物本身的高度、形狀以及表面狀況有關(guān)。

地震作用下，建筑變形以剪切變形為主（如多層框架結(jié)構(gòu)）時，水平地震作用計算近似采用底部剪力法。此時每層樓集中看作一個質(zhì)點，地震作用按質(zhì)點分配。以彎曲和剪切變形為主的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法或者彈性時程分析法計算，此時建筑物每個樓層質(zhì)點的未知量變?yōu)閤，y，z三個，三者應(yīng)進行振型分解組合，或輸入地震動曲線進行動力時程分析。

三、影響高層建筑最大位移的因素

1.建筑平面布局的規(guī)則性。建筑平面布置越規(guī)則，質(zhì)量中心與剛度中心越靠近甚至重合，水平荷載作用下，偏心矩越小，傾覆力矩越大，水平位移越大。建筑平面不規(guī)則包括平面布局不規(guī)則和剛度分布不規(guī)則，建筑平面不宜有較大開洞，開洞率應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

2.樓層高度。高層建筑物風(fēng)荷載組合通常起控制作用。風(fēng)荷載的豎向分布呈倒三角形風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值隨著樓層的高度增加而增大，樓層越高，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值越大。樓層越高，風(fēng)荷載產(chǎn)生的晃動和水平位移越大，故應(yīng)控制建筑總高，若總高超過規(guī)范要求，應(yīng)采取風(fēng)洞試驗和抗風(fēng)防風(fēng)設(shè)計。

3.結(jié)構(gòu)形式。高層建筑結(jié)構(gòu)形式有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)、框支剪力墻結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等形式。結(jié)構(gòu)越柔，位移越大，結(jié)構(gòu)越剛，位移越小。如：相同建筑總高情況下，框架結(jié)構(gòu)位移大于剪力墻結(jié)構(gòu)。隨著建筑物總高的增加，應(yīng)增加剪力墻截面和數(shù)量，超高層結(jié)構(gòu)宜選擇筒中筒結(jié)構(gòu)。

4.地震作用大小。地震作用分為水平地震作用和豎向地震作用，豎向地震作用通常在長懸臂構(gòu)件或者高烈度地區(qū)參與內(nèi)力組合，且豎向地震產(chǎn)生的位移為豎向位移。大多數(shù)情況僅需考慮水平地震作用組合即可滿足設(shè)計要求。水平地震作用產(chǎn)生水平位移，震源越淺，震中距越小，地震作用越大，產(chǎn)生的位移越大。所以，水平地震作用下的高層建筑最大水平位移大小抗震設(shè)防烈度有關(guān)。

綜上所述，控制高層建筑水平位移的大小，同一地區(qū)抗震設(shè)防烈度相同的情況下，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇樓層總高和結(jié)構(gòu)形式，建筑平面宜對稱規(guī)則，減少偏心。若應(yīng)建筑設(shè)計需求不能達(dá)到上述要求時，應(yīng)采取措施保證結(jié)構(gòu)位移值控制在規(guī)范強制性規(guī)定值范圍內(nèi)，以滿足正常使用極限狀態(tài)下人對建筑物舒適度的要求。

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作者簡介：肖曉芳，女，工學(xué)學(xué)士，助教，國家二級注冊結(jié)構(gòu)工程師，2006年畢業(yè)于廣西工學(xué)院（現(xiàn)廣西科技大學(xué)）土木工程專業(yè)，現(xiàn)就職于重慶應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院建筑工程系。