基于鋼筋混凝土高層建筑結構受力特點分析

劉建偉

(山西工程職業學院，山西 太原 030009)

1 高層建筑中運用的主要結構方式

高層建筑物的結構形式是極為多樣的，從材料來看，其可分為鋼筋混凝土結構、鋼結構、磚石結構以及鋼結構與鋼筋混凝土混合結構等。鋼筋混凝土結構具有較多的優勢，例如成本低、材料來源廣泛、便于就地取材等，對于各種復雜的建筑形式都能夠較好地澆筑完成，在對高層建筑物進行科學合理的設計后，還能夠有效地節省鋼材用量，同時具有較好的抗震性能和抵抗風荷載的能力。另外，鋼筋混凝土結構體系也較為豐富，能夠有效構成多種混合結構體系。不過其也存在著一些缺點，例如構件的截面較大，減少了建筑的凈面積，這些缺點在實際的高層建筑中需要多加注意。正因為鋼筋混凝土結構具有較多優點，其在高層建筑物建設中是一種首選的建筑結構形式。而對于鋼結構這一結構形式，其也有著較多的優點，例如輕質高強，具有較好的延伸性以及抗震性能。同時鋼結構還能夠有效適應建筑中大的跨度及空間方面的需求，在我國大型的公共建筑中較為常見。在鋼與混凝土組合結構中，充分發揮了鋼結構以及鋼筋混凝土結構的優點，其在側向剛度方面也比鋼結構強，而結構方面的造價則在兩種結構方式之間，在施工建設速度上是快于鋼筋混凝土結構的，在結構面積上比鋼筋混凝土小。例如，在高層建筑中采用鋼管混凝土柱，能夠充分發揮鋼材的抗拉強度和混凝土的抗壓強度，使得柱的承載力得到了顯著提高，延性性能得到顯著改善[1]。

2 高層建筑結構中的受力特征

在受力特點方面，可以將高層建筑看作一端固定在地基中的豎向懸臂構件，承受水平和豎向荷載。在高層建筑中可以將建筑柱中的軸向力和建筑層數看做一個線性關系。高層建筑物中的水平力呈現出來的是倒三角形的分布形態，而且在高層建筑物水平力的作用下，其結構底部位置中的彎矩和高度之間呈現一個正比平方的關系，并且高層建筑物中頂點的位移和高度之間形成一個四次方正比關系。通過這些情況可以明確水平荷載和側移在高層建筑物中的分析及設計中占據著的重要位置，而且其往往是極為關鍵的控制元素[2]。

框架結構本身是一種柔性結構方式，在劇烈的震動中，其結構以及樓層間的位移情況都極大，進而導致震動后受損嚴重，這一結構會主要被運用在普通、樓層數較少的建筑物中，同時還需確認使用此類建筑結構的地區不會出現地震等地質災害。在框架結構中其整體性的變形主要為剪切變形，因為其位移在底部位置最為嚴重。另外在建筑物框架結構節點水平力的作用中，建筑物的桿、梁以及柱等的彎矩圖呈現出了一種直線樣式，其中，框架柱中的剛度對比于建筑物的梁來說并沒有過大的差別，對此，建筑物柱中往往會存有一個反彎點。

在剪力墻結構中，因為剪力墻本身存在較強的剛度，有著極好的抗側能力，空間的整體性能較好，被廣泛地運用到了高層建筑物建設中。從整體變形這一角度來看，剪力墻的整體變形為彎曲型，其位移最大的部位在于結構頂部。其墻肢剛度與建筑物梁相比更大，而且在墻肢彎矩圖中其幾乎不存在反彎點。另外，洞口的存在與否、大小、具體形狀以及位置等方面的差異也會對剪力墻的受力性能造成較大的影響。種類不同的剪力墻，截面應力分布也是不同的。對此，需要注意對截面的高厚比進行有效地控制，當墻肢中的高厚比較小時，墻肢就會被過度地削弱，進而出現反彎點。在《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)中有著這樣的規定，當高厚比小于等于4時，墻肢的受力性能與柱的受力性能大致相同，這時就需要依據柱來進行設計，而且還需保證高厚比大于8，以此杜絕短肢剪力墻現象的發生[3]。

在框剪結構中，其主要是由框架與剪力墻組合而成的一種結構體系，在這一結構體系中，其既有剪力墻又有框架，這兩者間是由平面中剛度無限大的樓板進行連接起來的，在水平力的作用下，兩者間的水平位移步調是一樣的，兩者將無法獨立進行變形，當刨除扭轉這一影響時，應當確保在同一建筑層中兩者的水平位移步調是一致的。對此，在水平力的作用中，框剪結構中的變形曲線主要展現出來的是一種反S形。在高層建筑下半部的樓層中，剪力墻能夠承擔起大部分的剪力作用。但是在高層建筑上半部的樓層中，框架結構中存有大量的剪力。在框剪結構中，其出現水平位移取決于高層建筑樓層間和樓層高度間的比較控制，并不是由頂點水平位移進行控制的[4]。

核心筒結構具有較強的抗側剛度且受力方面也較為明確，更利于工作人員對其進行分析。在高層建筑的核心筒設計中，核心筒附近總會布置一定量的柱子，進而構成框架核心筒。核心筒附近的柱子因受到豎向的荷載會使得樓蓋結構中的跨度得以減少，不過柱子在側向力的承受方面顯現的效果較小，側向力的承受主要由核心筒擔任。在側向力的作用中，框架核心筒這一結構體系的受力類似于薄壁箱型結構，不過其也有自身特性。從材料力學這一方面來看，若側向力作用到箱型結構體系上，箱型結構中界面的正應力會呈現出一種線性的分布狀態，而且對應的應力圖形會在翼緣位置上形成一個矩形，而在腹板位置上則會形成兩個一壓一拉的三角形。但若側向力在框架核心筒結構上產生作用，會因為剪力方面存有滯后而導致框架核心筒結構的底部位置中的柱內正應力展現出一種曲線分布情況，其中角柱位置最大，在中部這一位置朝后會越來越小。在核心筒結構中，側向力方面產生的剪力會由腹板承受。在核心筒中核心筒結構體系中，其側向產生的剪力則會由外部核心筒中的腹板框架以及內部核心筒中的腹板承受[5]。

3 高層建筑中的結構體系及其布置

3.1 高層建筑物結構中的布置準則

在平面上若想要高層建筑物的結構布置較為工整、簡單以及對稱，那么可以使用方形、矩形以及圓形等有效應對水平荷載，尤其是有效應對地震災害的建筑平面。若建筑物的平面存有突出，那么就需要盡量縮短突出長度，并在凹角處采用對應的措施進行強化，以此來保證建筑物的安全性及穩定性。在高層建筑物結構中，需要盡量促使其剛心、質心和水平外力合力中的作用線重合，避免出現偏差，若存有偏差，否則會產生較多的不良影響，影響到整個高層建筑物的建設施工。高層建筑物結構中的高寬比也需要進行有效的控制，其不能超過對應的限制數值。另外，需要依據豎向結構，促使建筑結構中的剛度及質量均勻排布，避免出現過大的偏差，而且還需有效避免出現夾層、錯層以及抽柱等現象，否則會對結構的受力產生較大的影響。當然，對應的高層建筑施工設計工作人員還需對建筑中的變形縫進行設計，建筑施工工作人員也需依據對應到的設計開展施工工作[6]。

3.2 高層建筑物中的結構體系

首先，在框架結構體系中的柱網分布中。在同樣的情況下需要依據使用具體要求以建筑物的平面來確認柱網的分布情況，在合理考慮建筑物的樓層高度后，方可對建筑物的梁以及柱截面的樣式及尺寸進行確認。另外，在高層建筑物的梁柱構件中需將其以剛接方式進行建模，通常這一類型的柱網尺寸在6～8 m，在這一數值，不僅符合建筑需求，而且能夠有效地節省成本支出。一般情況中，柱網可以設置為橫向、縱向以及橫縱向混合的框架承重[7]。

其次，在高層建筑物的樓面及屋面層中。在高層建筑物的設計環節中，需要有一個假定，樓面層在平面中的抗彎剛度應當為無限大，而這就需要樓面及屋面層在滿足豎向荷載作用力的設計之后能夠保有一定的剛度。

其次，在剪力墻結構體系的平面設置中。在高層建筑物的剪力墻設置中，通常會采用多向或者雙向的形式進行設置，可以設置為拉通對直以及縱橫交叉等形式，而像十字頭以及魚骨形的剪力墻樣式則不可設立。若高層建筑物中的剪力墻過長，那么就可以采用樓板將建筑物分成一個個的獨立墻段。在剪力墻的豎向設置中，需要促使剪力墻沿著豎向的位置進行貫通，墻體的厚度也應當逐步對其進行減小，同時還需避免剪力墻中出現剛度變化，以免應力過度集中。在高層建筑物的剪力墻中，其門窗應當對齊，以此來形成較為明確的墻肢以及連梁，切記不可設置錯開的門窗，否則可能會導致墻肢中的剛度出現較大的差距[8]。

最后，在高層建筑物的框剪結構體系中的平面設置中，在地震帶中，高層建筑物中的剪力墻應當順沿房屋中的縱向及橫向這兩個方向來進行設立。通常情況中，應當將剪力墻在高層建筑物中的端部區域進行對稱的設立，促使其分布在平面形狀變化位置以及恒載大的區域中。若剪力墻離端部越近，那么就能夠促使建筑物結構整體的抗扭轉能力越得以增強。另外，需將剪力墻的位置設立在抗側剛度的中心，以促使其能夠與質心更近，進而使得發生地震后對建筑物的扭轉作用得以減小。在設立縱向的剪力墻時，應當將其設立在建筑物結構單元中的中間區域。若高層建筑物較長，剪力墻就不能設立在高層建筑物的兩端。若高層建筑物中的剪力墻墻肢截面過于寬大，那么就可以巧妙地運用建筑物中的門窗口以及施工留下的洞口來讓其形成一種聯肢墻[9]。

3.3 高層建筑結構中的設計

在建設高層建筑物的過程中，需要選擇優良的地段來開展建設施工，避免因地面發生變形現象而影響到建筑物的安全性。在地震能量的輸入中，也需要盡量減少。為了能夠有效降低地震后對建筑物造成的反應，還需要提升高層建筑物結構阻尼，并使用較強延伸性能的構件。在高層建筑物中，優良的建筑物體形設計也是非常重要的，簡潔、平整、合適的高度、科學合理的高寬比以及合理的變形縫等在高層建筑物中都是極為重要的因素，只有做好了這些才能更好地保證高層建筑物的安全、質量以及使用。另外，在高層建筑物中材料質量也是一個極為重要的因素，只有建筑材料的質量得到有效的保障，才能促使高層建筑物的質量得到保證，使結構的受力性能得以提升，進而促使高層建筑物能夠積極地投入到使用中[10]。

4 結束語

在鋼筋混凝土建筑物中，其結構受力這一因素是極為重要的，不同的高層建筑物結構受力特點也不同，相關設計及施工人員需要依據具體建筑物結構的特性來設計合理的施工方案，并依據具體的施工方案來開展施工，以促使鋼筋混凝土建筑物的結構受力在適宜范圍內。

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