結構選型對高層建筑結構抗震設計的分析

張忠良

(身份證號：510623198112213515）

結構選型對高層建筑結構抗震設計的分析

張忠良

(身份證號：510623198112213515）

本文從結構選型的角度對高層建筑結構抗震設計進行分析，主要從結構類型、結構體系、結構布置等幾個方面進行了研究分析。

高層建筑；結構抗震；抗震設計

一、結構體系的合理正確選擇

高層建筑的結構設計關鍵是抗水平力的設計，抗水平力簡稱抗側力。根據抗側力結構特點，鋼筋砼結構主要可分為框架結構、剪力墻結構、框架-剪力墻結構和筒體結構等4種結構體系，其抗側剛度、抗震性能、適用范圍等各有不同。

砼框架結構系由梁和柱等構件連接成框架，梁主要承受豎向力，柱子承受豎向和水平方向荷載，是典型柔性結構；該結構的房屋墻體不承重，僅起到圍護和分隔作用。能提供靈活布置的室內空間。側向變形較大，在強烈地震作用下，結構的薄弱層率先屈服，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。因此框架結構屬于以剪切變形為主的柔性結構，使用高度受到限制，主要用于非抗震設計和層數(shù)相對較少的建筑中。

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻板來代替框架結構中的梁柱，來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構，在高層房屋中被大量運用。剪力墻一般沿橫向和縱向正交布置或斜交布置，承受全部的水平荷載和豎向荷載，是典型剛性結構。剪力墻結構的抗側力剛度比框架結構大很多，側向變形量小，整體性好；但其自重大，結構布置局限性大，很難實現(xiàn)建筑內部大空間的設計。常常用于墻體較多，房間空間不大的住宅建筑中，可以以墻代柱與梁，使室內無外露梁柱，實現(xiàn)美觀和增大空間的效果。

框架-剪力墻結構是由框架與剪力墻結構綜合演變而來的一種結構，在框架結構中的某些合適部位增設一些剪力墻，是典型剛柔相結合的結構體系。能夠集合框架結構和剪力墻的優(yōu)點，提供比剪力墻結構更大的空間，比框架結構更大抗側剛度，剪力墻主要承受水平荷載，豎向荷載由框架承擔。一般適宜用于 10～20層的高層建筑。

筒體結構是由一個或數(shù)個筒體作為主要抗側力構件而形成的，由框架-剪力墻結構與全剪力墻結構綜合演變而來，是將剪力墻或密柱框架集中到房屋的內部和外圍而形成的空間封閉式的筒體。其特點是主要抗側力由四周的剪力墻圍成豎向薄壁筒和柱框架組成豎向箱形截面的框筒，形成整體，整體作用抗荷。剪力墻集中而獲得較大的自由分割空間，但結構負載，框架較重，成本高，適用于平面或豎向布置繁雜、水平荷載大的高層建筑，多用于寫字樓建筑。常常分為筒體－框架、框筒、筒中筒、束筒四種結構。

分析了幾種常用的結構體系特點，不難得出，高層建筑結構抗側力體系通常是通過剪力墻提高。

二、根據受力特點選擇結構類型

高層建筑從整體上講，可以看成一個豎向懸臂結構。豎向荷載主要使結構產生軸向壓力，跟建筑物高度是正相關的關系；水平荷載使整體結構產生彎矩。豎向荷載方向不變，豎直向下，建筑越高荷載越大；水平荷載方向不定，四面八方均有可能，假定為均布荷載，彎矩與建筑高度呈二次方函數(shù)關系。豎向荷載引起的側移小，而水平荷載引起的側移大，是高度成四次方關系。在高層結構中，水平荷載的影響要遠遠大于豎向荷載的影響，水平荷載是高層結構設計的控制因素。

高層建筑主要受水平力影響（風載和地震作用），因此想要提高抗震性能，選擇切實可行的結構類型，使之在相同的條件下，具有良好的結構性能、經濟效果和建造速度是非常關鍵的。高層建筑的結構類型常用鋼結構和鋼筋砼結構。鋼結構具有輕質高強、抗震性能好、施工工期短等優(yōu)點，還具有構件截面相對較小，具有很好的延性，常適用于柔性結構。其缺點是造價相對較高，當場地土特征周期較長時，易發(fā)生共振。與鋼結構相比，現(xiàn)澆鋼筋砼結構具有空間整體性好，結構剛度大，造價低及材料來源豐富等優(yōu)點，可以組成多種結構體系，在高層建筑中被廣泛應用，比較適用于提供承載力，控制塑性變形的剛性方案結構。其缺點主要是自重大，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。高層建筑采用何種結構形式，主要取決于結構體系、材料特性、場地土類型等。

三、合理布置結構

在高層建筑的結構設計中，結構布置一般應考慮以下幾點：

1.應滿足建筑功能的要求，做到經濟合理與便于施工。建筑物的開間、進深、層高、層數(shù)等平面關系和體型除滿足使用要求外，應盡量減少類型，盡量統(tǒng)一柱網布置和層高，使受力明確，結構簡明，減少標準層的種類。

2.位移是高層建筑控制主要矛盾，除應從平面布局和立面變化等方面考慮提高結構的總體抗側剛度，從而減少結構的位移。在結構布置時，應提高結構的整體性、剛度、構件的連接，達到最有效的共同作用的方式；提高基礎的整體性，以減少由于基礎扭轉或平移對結構的側移作用，同時應加強結構的薄弱部位和應力復雜部位的強度。增強結構整體寬度可減少側向位移，當其它條件不變時，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，體型扁而重的建筑抗震性能不佳，宜采用剛度較大的形狀，如方形、接近方形的矩形、圓形等，即把使用要求及建筑體型多樣化和結構的要求有機地結合起來，又可形成側向穩(wěn)定的體系。

3.建筑平面形狀宜規(guī)則，豎向變形宜均勻。為了減少地震作用對建筑結構的整體和局部的扭轉和應力集中效應等不利影響，建筑平面形狀宜規(guī)則，減少較大的外伸或內收，沿高度的層間剛度和層間屈服強度的分部要均勻，抗側力豎向構件的截面尺寸、砼強度等級和配筋量的變化不宜集中在同一樓層內，在設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。簡單地說就是使結構各部分剛度均勻且對稱，平面形狀應力求簡單規(guī)則，立面體型應避免外伸與內凹，避免結構豎向剛度突變等。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構剛度中心，以減少扭轉的影響。樓梯與電梯間不宜設在平面凹角部位或端部角區(qū)，它對結構剛度的對稱性影響顯著。

四、提高結構的抗震性能

高層建筑的受力特點與低層建筑不同，因此進行高層建筑結構設計時，建筑結構具備足夠強度、剛度外和良好的抗震性能。通過科學的抗震設計，使建筑物達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”標準。常用的方法是，使結構具有一定的塑性變形能力來吸收消耗地震能量，從而減弱地震的破壞。

按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構件”的原則進行結構設計，可以在地震作用下實現(xiàn)鋼筋砼結構具有足夠的延性和抗破壞能力。常常采用合理地選擇柱截面尺寸、控制柱的軸壓比、構造配筋要求和加強節(jié)點的構造措施等方式。

剪力墻高寬比不宜小于2，地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量發(fā)生在剪力墻的底部。連梁應有足夠的變形能力，塑性屈服宜在梁端，按照“強墻弱梁”的原則設計剪力墻，提高其抗震能力，避免墻肢的剪切破壞。

五、結束語

通過了高層建筑的受力特性、結構類型、結構體系、結構布置、抗震性能等多方面的概念設計，從而更加有效地提高高層建筑的抗震性能。

[1]馬成松.建筑結構抗震設計[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010

[2]龔思禮. 建筑抗震設計手冊(第二版)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

TU7

B

1007-6344（2016）07-0067-01

張忠良（1981.12～），男，生于四川中江，本科，工程師/講師,主要研究方向：建筑結構設計、結構抗震、地基基礎。