淺析鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)受力特點

魏燕婷

沈陽市華域建筑設(shè)計有限公司 遼寧沈陽 110000

我國建設(shè)部印發(fā)的《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，10層及10層以上或房屋高度大于28米的住宅建筑和房屋高度大于24米的其他高層民用建筑為高層建筑。

1 高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式

高層住宅的結(jié)構(gòu)形式多元化,按材料分主要有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系等。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剛度大、強度較高、抗震性能較好，并且具有良好的可塑性，往往成為高層住宅的首選形式；鋼結(jié)構(gòu)強度較高、自重輕、具有良好的延性及抗震性能，并能適應(yīng)建筑上大跨度、大空間的要求，多見于大型公建項目；鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)一般是鋼框架與鋼筋混凝土筒體結(jié)合，在結(jié)構(gòu)體系的層次上將兩者優(yōu)點結(jié)合起來。按照抗側(cè)力進行分類,常見結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等。某些大型公共建筑中,為了達到更好的視覺效果以及建筑使用功能，還會出現(xiàn)懸挑，錯層，轉(zhuǎn)換，連體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式[1]。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點

從高層建筑結(jié)構(gòu)受力特性來看，高層建筑結(jié)構(gòu)可以理解為其自地基基礎(chǔ)上升起的豎向懸臂構(gòu)件，承受著水平（風(fēng)荷載和地震作用）和豎向（樓面恒荷載和活荷載）荷載的作用，可認為柱的軸向力與層數(shù)為線性關(guān)系；水平力近似為倒三角形分布，在水平力作用下，結(jié)構(gòu)底部彎矩與高度為正比平方關(guān)系，且頂點位移與高度四次方成正比。由此看出水平荷載（風(fēng)荷載和地震作用）及側(cè)移在高層建筑分析和設(shè)計中起著重要作用。特別是在超高層建筑中往往成為控制因素。

框架結(jié)構(gòu)屬于一種比較柔的結(jié)構(gòu)形式，在強震下結(jié)構(gòu)整體位移和層間位移都較大，震害嚴重，主要用于非抗震區(qū)和層數(shù)較少的建筑?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的整體變形為剪切型變形，因而框架結(jié)構(gòu)的位移底部最大。框架結(jié)構(gòu)節(jié)點水平力作用下，各桿（梁，柱）的彎矩圖都呈直線形，框架柱的剛度相對于梁來說不會相差很大，因此一般柱內(nèi)都有一個反彎點[2]。

剪力墻結(jié)構(gòu)由于剪力墻本身剛度大，抗側(cè)力能力強，空間整體性好，因此在高層建筑中普遍應(yīng)用。剪力墻結(jié)構(gòu)整體變形為彎曲型，結(jié)構(gòu)頂部位移最大。墻肢剛度相對于連梁來說很大，墻肢彎矩圖基本沒有反彎點。此外，洞口是否存在，洞口大小、形狀及位置的不同也影響剪力墻的受力性能。不同類型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不相同。應(yīng)當(dāng)注意，控制截面高厚比，當(dāng)墻肢高厚比很小的時候，墻肢過分削弱，導(dǎo)致反彎點出現(xiàn)，《高規(guī)》規(guī)定高厚比不大于4時，受力性能接近于柱，應(yīng)按柱設(shè)計，同時高厚比應(yīng)盡量大于8，避免出現(xiàn)短肢剪力墻。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，簡稱框剪結(jié)構(gòu)，它是由框架和剪力墻組成的結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)體系既有剪力墻又有框架，它們之間通過平面內(nèi)剛度無限大的樓板連接在一起，在水平力作用下，他們水平位移協(xié)調(diào)一致，不能各自自由變形，在不考慮扭轉(zhuǎn)影響的情況下，在同一樓層的水平位移必須相同。因此，框剪結(jié)構(gòu)在水平力作用下的變形曲線呈反S形的彎剪型位移曲線。下部樓層，剪力墻承擔(dān)了大部分剪力；上部樓層則相反，框架中仍有相當(dāng)數(shù)量的剪力。框剪結(jié)構(gòu)水平位移是由樓層層間位移與層高之比控制，而不是頂點水平位移控制，層間位移最大值發(fā)生在（0．4～0．8）H范圍內(nèi)的樓層，H為建筑物總高度。

核心筒結(jié)構(gòu)具有較大的抗側(cè)剛度，且受力明確，分析方便。設(shè)計中常見核心筒周圍布置一些柱子形成框架-核心筒結(jié)構(gòu)，柱子受豎向荷載以減小樓蓋結(jié)構(gòu)的跨度，這些柱子承受側(cè)向力的能力很小，側(cè)向力主要由核心筒承受。在側(cè)向力作用下，框筒結(jié)構(gòu)的受力既相似于薄壁箱型結(jié)構(gòu)，又有其自身的特點。從材料力學(xué)可知，當(dāng)側(cè)向力作用于箱型結(jié)構(gòu)時，箱型結(jié)構(gòu)截面內(nèi)的正應(yīng)力均呈線性分布，其應(yīng)力圖形在翼緣方向為矩形，在腹板方向為一拉一壓兩個三角形，但當(dāng)側(cè)向力作用于框筒結(jié)構(gòu)時，由于剪力滯后效應(yīng)，框筒底部柱內(nèi)正應(yīng)力呈曲線分布，角柱最大，在中部逐漸減小。在筒體結(jié)構(gòu)中，側(cè)向力所產(chǎn)生的剪力主要由其腹板部分承擔(dān)。對于筒中筒結(jié)構(gòu)，則主要由外筒的腹板框架和內(nèi)筒的腹板部分承擔(dān)?？蛲步Y(jié)構(gòu)或筒中筒結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的側(cè)向位移曲線呈彎剪型[3]。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

高層建筑結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，頂部的側(cè)移往往成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素。因此設(shè)計中要重點關(guān)注各種高層結(jié)構(gòu)的位移限制值。前文已簡述各結(jié)構(gòu)體系的位移特點，在此不予贅述。

高層建筑中，房屋高寬比是對結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟合理性的宏觀控制。類比懸挑梁，很明顯，梁高不變的時候，跨度增大，梁高就明顯不足，顯然，懸挑梁是有一個合理的跨高比的，故而，高層建筑中，高寬比的合理選取，決定了結(jié)構(gòu)的整體分析合理性。

高層建筑中，要重視多道防線的設(shè)計理念，地震破壞中，如果各類構(gòu)件分批破壞過程中都具有較好的延性，這樣就可以充分耗能，防止脆性破壞，保護主體結(jié)構(gòu)。高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，連梁作為主要耗能構(gòu)件，對減小墻肢內(nèi)力，延緩墻肢屈服起著重要作用。設(shè)計中，理想狀態(tài)連梁宜設(shè)計為跨高比大于6的弱連梁?？蚣芘c墻體、筒體共同抗側(cè)力的各類結(jié)構(gòu)中，框架柱作為二道防線，重要作用不可忽略，相關(guān)規(guī)范中都規(guī)定了框架柱的最小地震剪力，設(shè)計中應(yīng)重視概念設(shè)計?？蚣懿糠钟嬎惴峙涞臉菍拥卣鸺袅Γ撞總€別樓層、加強層及其相鄰上下層外，多數(shù)不低于基底剪力的8%且最大值不宜低于10%，最小值不宜低于5%。主要抗側(cè)力構(gòu)件中沿全高不開洞的單肢墻，應(yīng)針對其延性不足采取相應(yīng)措施。