高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)探析

張浩浩 楊姝姮

摘 要：該文簡(jiǎn)單介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，針對(duì)高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)展開了深入的研究分析，提出了一些建議，希望可以對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)起到一定的參考和幫助。

關(guān)鍵詞：高層建筑；水平力作用；結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

當(dāng)前高層建筑在我國(guó)得到了極大的發(fā)展和推廣，不管是建設(shè)數(shù)量還是建筑規(guī)模都有明顯增大，高層建筑與多層建筑不同，其水平力十分關(guān)鍵，必須要對(duì)軸向變形有足夠重視。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要保持建筑物平面盡量規(guī)則對(duì)稱。結(jié)構(gòu)體系的選擇需要與建筑物高度和其他方面的要求相結(jié)合，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要提高抗側(cè)力體系布置的合理性。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果平面不規(guī)則將非常容易增大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)水平位移。通過(guò)結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)體系的調(diào)整和分析，保證其滿足建筑設(shè)計(jì)要求，該文就此展開了研究分析。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

鋼筋混凝土以及鋼在高層建筑建設(shè)中占有非常重要的比重，其種類、型號(hào)等多種多樣。不同地區(qū)、不同條件下，高層建筑施工必須要做好施工材料的選擇，充分發(fā)揮出建筑材料的優(yōu)勢(shì)，提高高層建筑建設(shè)經(jīng)濟(jì)合理性。

1.1 水平荷載有決定性作用

建筑結(jié)構(gòu)不僅需要承擔(dān)豎向荷載作用，同時(shí)還需要承擔(dān)水平荷載作用。低層建筑結(jié)構(gòu)方案、材料、成本等由豎向荷載確定，高層建筑豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同樣有重要影響，但是隨著房屋高度寬度比的增大，水平荷載會(huì)產(chǎn)生非常大的側(cè)向位移和內(nèi)力，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)方案、造價(jià)和材料用量等影響更大。

1.2 重視軸向變形

低層建筑結(jié)構(gòu)中僅進(jìn)行彎矩項(xiàng)考慮，軸力項(xiàng)對(duì)整個(gè)建筑的影響非常小，不需要過(guò)多地考慮剪切項(xiàng)。高層建筑結(jié)構(gòu)中，受到建筑高度、層高等因素的影響，會(huì)存在非常大的軸力值，同時(shí)因?yàn)轫樦叨确较虼嬖诜浅Ｃ黠@的軸向變形積累，隨著軸向變形的增大，對(duì)高層建筑內(nèi)力值以及分布會(huì)有非常大影響。

1.3 控制側(cè)移

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分注重結(jié)構(gòu)側(cè)移的控制，樓層高度增加過(guò)程中，受到水平荷載作用，結(jié)構(gòu)側(cè)向變形會(huì)迅速增加。高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅要保證其有足夠強(qiáng)度，同時(shí)還能夠承受來(lái)自風(fēng)荷載作用所產(chǎn)生的內(nèi)力。建筑結(jié)構(gòu)抗推剛度滿足要求，實(shí)現(xiàn)在水平荷載作用下對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的有效控制。

1.4 結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)

高層建筑受到地震作用會(huì)出現(xiàn)較大的變形，為了保證高層建筑在塑性變形階段有非常好的變形能力，不會(huì)發(fā)生倒塌等事故，就必須要從構(gòu)造方面出發(fā)，采取針對(duì)性的設(shè)計(jì)措施，做好建筑結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)，使建筑結(jié)構(gòu)延性滿足要求。

1.5 高層建筑結(jié)構(gòu)類型

高層建筑結(jié)構(gòu)類型包括鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等。1）鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有韌性大、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，應(yīng)用在高層建筑中，結(jié)構(gòu)斷面小，有著非常好的抗震性能，同時(shí)容易在工廠加工，工程項(xiàng)目建設(shè)工期會(huì)有明顯縮短。但是在高層建筑施工中的鋼結(jié)構(gòu)會(huì)用到很多鋼材，很大程度上提高了工程項(xiàng)目施工成本，另外，鋼的耐火性相對(duì)較差，如果大范圍涂刷防火材料，工期和造價(jià)會(huì)明顯增加；2）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)建設(shè)成本低，在復(fù)雜斷面形狀以及不同結(jié)構(gòu)體系中有非常廣泛的應(yīng)用，鋼材用量小，抗震性能優(yōu)良，當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中有著非常廣泛的應(yīng)用，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有著構(gòu)件截面大、自重大等不足，其工程造價(jià)低于鋼結(jié)構(gòu)，同時(shí)有良好的耐火性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)側(cè)移的有效控制，當(dāng)前鋼筋混凝土高層建筑數(shù)量越來(lái)越多；3）鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。將鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，能夠取長(zhǎng)補(bǔ)短，在提高技術(shù)性能的同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)合理性，當(dāng)前鋼與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的組合有兩種不同方式，第一種是利用鋼材對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，在構(gòu)件內(nèi)部埋設(shè)鋼材，外部使用混凝土澆筑，同時(shí)還可以將混凝土填充在鋼管內(nèi)部，不僅可以減少結(jié)構(gòu)斷面，提高建筑抗震性能，同時(shí)還具有良好的剛度和耐火性，在地下室和底部幾層有著非常廣泛的應(yīng)用，第二種是將鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用在部分抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中，另外結(jié)構(gòu)使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也叫作混合結(jié)構(gòu)，多選擇鋼筋混凝土做剪力墻，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)

2.1 抗側(cè)力構(gòu)件平面布置

鋼-混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑的動(dòng)力特性很大程度上受到抗側(cè)力構(gòu)件平面布置的影響，為了使各個(gè)構(gòu)件均勻，有足夠承載力實(shí)現(xiàn)對(duì)水平荷載的有效抵抗，可以將抗側(cè)力構(gòu)件順著縱橫方向進(jìn)行布置，抗側(cè)力構(gòu)件平面布置需要遵循以下幾個(gè)方面原則：第一，針對(duì)抗推剛度較大芯筒，比如墻筒、框筒等，需要按照對(duì)稱或者居中方式布置；第二，抗側(cè)力構(gòu)件的布置還需要保證樓層水平剪力以及抗推剛度中心合力相重合，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問(wèn)題的有效抵抗；第三，保持建筑進(jìn)深、開間等相一致，方便構(gòu)件的制作和安裝；第四，如果鋼筋混凝土墻板受剪承載力較大，還需要盡量將其從樓層平面中心向著樓層平面周邊移動(dòng)，使整個(gè)結(jié)構(gòu)有足夠的抗扭轉(zhuǎn)和抗傾覆能力；第五，柱網(wǎng)尺寸和構(gòu)件布置需要控制鋼柱截面尺寸適宜，構(gòu)件截面鋼板厚度控制在100 mm以內(nèi)，隨著鋼板厚度增加，焊接難度會(huì)有明顯提升，同時(shí)焊接完成后容易出現(xiàn)層狀撕裂，焊接質(zhì)量很難得到保證。

2.2 抗側(cè)力構(gòu)件的立面布置

高層構(gòu)件抗側(cè)力構(gòu)件立面布置需要遵循以下幾個(gè)方面原則：第一，順著高度方向保持抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)，同時(shí)在一條豎直線；第二，各抗側(cè)力構(gòu)件所承載的樓層質(zhì)量在高度方向不存在有明顯變化；第三，自上而下，逐漸增加各抗側(cè)力構(gòu)件抗推剛度和承載力，同時(shí)構(gòu)件所承擔(dān)的軸力、水平剪力等也會(huì)相應(yīng)增大。當(dāng)前很多地區(qū)的高層建筑都在向著多功能方向發(fā)展，同一大樓集中多種不同使用功能，大樓的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益會(huì)明顯提高。因?yàn)榇髽窃谑褂霉δ芊矫娴牟煌?，?duì)樓面使用空間的要求也存在明顯的差異性，出現(xiàn)有豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，針對(duì)這一情況，在計(jì)算結(jié)構(gòu)抗震作用效應(yīng)時(shí)，需要綜合不同影響因素分析考慮，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程，適當(dāng)采取提高柔弱樓層結(jié)構(gòu)延性的策略，使高層建筑的變形能力得到優(yōu)化和提升。

3 結(jié)語(yǔ)

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計(jì)十分重要，其直接關(guān)系到建筑使用安全性和建筑建設(shè)質(zhì)量。高層建筑在水平力作用下的結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要結(jié)合高層建筑實(shí)際情況，做好抗側(cè)力構(gòu)件平面布置以及抗側(cè)力構(gòu)件的立面布置，取得理想的建設(shè)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]賈慶華.建筑工程結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)簡(jiǎn)析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（22）：526.

[2]陳勇攀.論高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)中的問(wèn)題[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017（28）：488，801.

[3]文曉峰.建筑工程結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（13）：103.