試析側向剛度控制在常見高層建筑結構設計的應用

吳敏 計敏敏

【摘要】從倒三角形對勻質構建所起的作用的角度出發，高層建筑只要控制住以彎曲型變形為主的側移曲線，且勻質結構與樓側向剛度的參數接近，結構樓層的側向剛度變化就會趨于均勻。目前世界上的主要國家，專家在通過調查了解到，在結構抗震設計規范對樓層側向剛度變化控制上都有局限性。介于此，專家在經過研究后，對高層建筑在側向剛度變化上提出了新的準則。

【關鍵詞】高層建筑結構；側向剛度突變；樓層側向剛度

在建筑結構樓層側向剛度及其沿結構高度變化這個問題上，世界主要國家都有明確的規定，就是為了防止由于地震導致的樓層側向剛度突變引發的局部構件變形集中。而且每個國家所規定的標準是不一樣的，比如美國人的規定，樓層側向剛度如果大于上一層位移角的1.3時，側向高層就必須小于樓層高度的70%，而澳大利亞則提出，上一層要大于樓層剪力以樓層位移角的1.4倍。而上述規范，我國從中拿來借鑒，制定到了《建筑工程抗震性態設計通則》里。由此可見，各國的規范在結構層高不變時，側向剛度變化控制方面基本上是相同的。

剪切變型和彎曲變型是建筑結構側向變形的兩種形式。彎曲型變形的結構和剪切型變形結構在位移角沿高度的變化是呈反比的，也就是說彎曲型變形的位移角沿高度是逐漸增大的，而彎曲型變形結構的位移沿高度是逐漸減小的。而且，各國由于考慮到彎曲型變形和剪切型變形的相鄰樓層位移角之比沿結構高度變化很大，所以認為控制結構樓層側向剛度變化都采用一個數值來確定是不合理的。并且發現，采用平均值的標準對以剪切型變形為主的結構有一定的效果。這是在通過大量的算例后得出的結論。

一.樓層側向剛度控制準則的建立

根據長時間的研究，通過研究出的一些抗彎剛度的勻質構件在倒三角形荷載的公式可以知道，樓層結構的總高度、樓層位置以及層高的決定因素與均勻結構樓層側向剛度變化有關系。

樓層的層高發生變化、豎向構件剛度突然發生變化、樓層的層高與豎向構件剛度都發生變化這是建筑結構樓層側向剛度突變的三種常見情況。而當建筑結在發生上述三種情況的任何一種的時候，側向位移就會發生突變，地震反映就會在樓層側向剛度不均勻的情況下增大。如果遇到這種情況，就要試圖將結構側向剛度趨于均勻，這時可以通過對控制結構樓層側向剛度變化的方式來接近上述所提到的均勻結構的相應參數。

二.算例分析

如果計算一個29層大樓的側向剛度沿結構高度變化，通過它的運算方法可以看出，樓層側向剛度并不隨著結構層高的變化而變化。而且為了能夠滿足我國現行規定抗震設計的要求，抗震設計、剪刀墻厚都要達到250mm。如果樓板平面內剛度無限大，則要采用空間桿-墻板元模型的結構分析方式。為了能夠讓剛度在發生某一層結構沿高度變小時趨于均勻，應該加大剛度突變樓層的構件截面，并且結構側移的參數能夠接近樓層結構在倒三角形荷載的作用。

三.設計建議

導致高層建筑結構樓層側向剛度突變是由于轉換層的設置引起的。 而豎向構件截面突變是因為采用了柱支剪力墻。在使用功能上，轉換層兼作會所，從而讓轉換層層高相對其上一層的住宅層高突變。專家通過計算得出結論，轉換層以下剪力墻在采用框支剪力墻結構時，厚度可達到700-900mm，但采用規定的控制準則時，可以減小200-300mm。為了能夠讓地震作用大小沿結構高度與我國現行的規范一致，應該繼續采用樓層側向剛度比控制結構側向剛度變化。而[ka]是合理的樓層側向剛度比。

層高、樓層位置以及結構總高度均與樓層側向剛度比有關，而與之無關的則是荷載大小以及結構剛度。建筑結構樓層側向剛度比在以彎曲型變形為主時不應該小于0.90.

四.結構局部層高變化的影響

4.1 構架結構

4.1.1 計算模型

例如一個擁有18層的鋼筋混凝土框架結構，梁、柱混凝土強度等級以及框架柱截面為C30和800mm*800mm。變化層高的位置在首層、三層、五層以及七層。而3.6m、4.2m、4.8m、5.4m、6m、7.5m、9m是每層的對應高度。而于此同時，相應的層高也會放生一定的變化幅度，而變化幅度則為1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0。而其他樓層層高保持不變，均保持在3m。抗震設防烈度和場地類別分別為7度和Ⅱ類。

4.1.2 計算結果及分析

1 層高變化幅度與層高變化處的各種剛度比和層間位移角比成正比的關系，也就是說層高變化處的各種剛度比和層間位移角比隨著層高變化幅度的增長而增長。2樓層側向剛度比和層間位移角比由于結構底部嵌固導致值均較小；當層高變化幅度隨著層高在上部樓層的突變和變化位置的提高，層間位移角比的數值就會增大。

4.1.3 框架結構層高變化層處樓層剛度比控制討論

層間位移角比的值會隨著層高變化層處的樓層感度比增大而增大。此時，要想做好在層間位移角比的基礎上討論層高度比的空置問題，最好建立兩者的關系曲線。并由此能夠得知，層高即便變化幅度達到了3層突變，與之對應的數值也僅僅只是0.83。而層高位置處于低位時，控制值的可以選擇較大的。這樣，突變層處層間位移角變化的連續性就能夠得到保證。

總的來說，層高變化在首層時，對剛度影響較小，而且位移角能夠有連續均勻的變化；

4.2剪力墻結構模型的計算

以30層的鋼筋混凝土剪力結構為例，強度等級以及剪力墻厚度均為C30和300mm。抗震設防烈度和場地類別為7度和Ⅱ類。通過剪力墻結構模型的剛度比及層間位移角比的計算結果得知，層高變化位置和幅度和樓層剛度比的變化基本相同，但在數值上存在差異。

4.3剪力墻結構層高變化處樓層剛度比控制討論

通過研究得知，層高變化幅度在首層變化時即便達到了3，層間位移角比的值也僅為0.71；層高變化幅度在上部樓層變化時，從1變成了3，與其對應的層間位移角比也要小于1，大致為0.82-1。對于突變層處間位移角變化的連續性都能予以保證。

【結束語】通過對側向剛度控制在常見高層建筑結構設計的應用討論，我們已經對這一技術有了一定的認識。研究人員應該借鑒國外的標準在結合中國的實際情況，制定出完善的設計理念。因此這就需要研究人員的不斷努力，從而讓側向剛度控制技術趨于完善化。

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