高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計探析

張浩浩 楊姝姮

摘 要：該文簡單介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，針對高層建筑在水平力作用下結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計展開了深入的研究分析，提出了一些建議，希望可以對高層建筑結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計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

中圖分類號：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

當(dāng)前高層建筑在我國得到了極大的發(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，必須要對軸向變形有足夠重視。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要保持建筑物平面盡量規(guī)則對稱。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，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計過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。通過結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)體系的調(diào)整和分析，保證其滿足建筑設(shè)計要求，該文就此展開了研究分析。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

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，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結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣有重要影響，但是隨著房屋高度寬度比的增大，水平荷載會產(chǎn)生非常大的側(cè)向位移和內(nèi)力，對建筑結(jié)構(gòu)方案、造價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)行彎矩項考慮，軸力項對整個建筑的影響非常小，不需要過多地考慮剪切項。高層建筑結(jié)構(gòu)中，受到建筑高度、層高等因素的影響，會存在非常大的軸力值，同時因為順著高度方向存在非常明顯的軸向變形積累，隨著軸向變形的增大，對高層建筑內(nèi)力值以及分布會有非常大影響。

1.3 控制側(cè)移

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中十分注重結(jié)構(gòu)側(cè)移的控制，樓層高度增加過程中，受到水平荷載作用，結(jié)構(gòu)側(cè)向變形會迅速增加。高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅要保證其有足夠強度，同時還能夠承受來自風(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，實現(xiàn)在水平荷載作用下對結(jié)構(gòu)側(cè)移的有效控制。

1.4 結(jié)構(gòu)延性設(shè)計

高層建筑受到地震作用會出現(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)，采取針對性的設(shè)計措施，做好建筑結(jié)構(gòu)延性設(shè)計，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、強度高等特點，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，同時容易在工廠加工，工程項目建設(shè)工期會有明顯縮短。但是在高層建筑施工中的鋼結(jié)構(gòu)會用到很多鋼材，很大程度上提高了工程項目施工成本，另外，鋼的耐火性相對較差，如果大范圍涂刷防火材料，工期和造價會明顯增加；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，其工程造價低于鋼結(jié)構(gòu)，同時有良好的耐火性，能夠?qū)崿F(xiàn)對側(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，能夠取長補短，在提高技術(shù)性能的同時滿足經(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鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行加強，在構(gòu)件內(nèi)部埋設(shè)鋼材，外部使用混凝土澆筑，同時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

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，為了使各個構(gòu)件均勻，有足夠承載力實現(xiàn)對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方面原則：第一，針對抗推剛度較大芯筒，比如墻筒、框筒等，需要按照對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，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動問題的有效抵抗；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，使整個結(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，焊接難度會有明顯提升，同時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，同時構(gòu)件所承擔(dān)的軸力、水平剪力等也會相應(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)效益和社會效益會明顯提高。因為大樓在使用功能方面的不同，對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)，針對這一情況，在計算結(jié)構(gòu)抗震作用效應(yīng)時，需要綜合不同影響因素分析考慮，同時考慮結(jié)構(gòu)彈塑性時程，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

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭設(shè)計十分重要，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)計過程中，需要結(jié)合高層建筑實際情況，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。

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