【摘 要】高層混凝土建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)行規(guī)范無法解決人們的安全問題，強(qiáng)烈的地震不僅會直接破壞各種建筑物，而且還會影響社會的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。本文主要對高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置與關(guān)系以及結(jié)構(gòu)的抗震性能幾個(gè)問題進(jìn)行了探討，從而完善高層混凝土建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；框架結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)

前言

隨著我國高層建筑的高速發(fā)展，結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化，建筑平面布置與豎向體型也越來越復(fù)雜，這就給高層建筑結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。如何高效、準(zhǔn)確地對高層結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行內(nèi)力分析，是結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)函待解決的重要課題。本文通過對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常遇到的問題進(jìn)行分析，為高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供計(jì)算方法及理論依據(jù)。

一、高層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析

高層建筑從本質(zhì)上講是一個(gè)豎向懸臂結(jié)構(gòu)，垂直荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向力與建筑物高度大體為線性關(guān)系；水平荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。從受力特性看，垂直荷載方向不變，隨建筑物的增高僅引起量的增加；而水平荷載可來自任何方向，當(dāng)為均布荷載時(shí)，彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側(cè)移特性看，豎向荷載引起的側(cè)移很小，而水平荷載當(dāng)為均布荷載時(shí)，側(cè)移與高度成四次方變化。由此可以看出，在高層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直荷載的影響，水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應(yīng)力和壓應(yīng)力應(yīng)有較大的強(qiáng)度外，同時(shí)要求結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度，使隨著高隨著高度增加所引起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。

二、高層的結(jié)構(gòu)體系選擇問題分析

高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)建筑使用功能、房屋高度和高寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地類別、地基情況、結(jié)構(gòu)材料和施工技術(shù)等因素，綜合分析比較，選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系。高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可采用框架、剪力墻、框架-剪力墻、筒體和板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)可為建筑提供靈活布置的室內(nèi)空間。當(dāng)建筑物層數(shù)較少時(shí)，水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響較小，采用框架結(jié)構(gòu)體系比較合理；框架結(jié)構(gòu)屬于以剪切變形為主的柔性結(jié)構(gòu)，使用高度受到限制，主要用于非抗震設(shè)計(jì)和層數(shù)相對較少的建筑中。剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻沿橫向、縱向正交布置或多軸線斜交布置，由鋼筋砼墻體承受全部的水平荷載和豎向荷載，屬于以彎曲變形為主的剛性結(jié)構(gòu)。該種結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度大，在水平力作用下側(cè)向變形小，空間整體性好。但剪力墻結(jié)構(gòu)自重大，建筑平面布置局限性大，難以滿足建筑內(nèi)部大空間的要求。因此更多地用于墻體布置較多，房間面積要求不太大的建筑物中，既減少了非承重隔墻的數(shù)量，也可使室內(nèi)無外露梁柱，達(dá)到整體美觀。框架——剪力墻結(jié)構(gòu)是指在框架結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)部位增設(shè)一些剪力墻，是剛?cè)嵯嘟Y(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，能提供建筑大開間的使用空間，是由若干道單片剪力墻與框架組成。在這種結(jié)構(gòu)體系中，框架和剪力墻共同承擔(dān)水平力，但由于兩者剛度相差很大，變形形狀也不相同，必須通過各層樓板使其變形一致，達(dá)到框架和剪力墻的協(xié)同工作。從受力特點(diǎn)看，剪力墻是以彎曲變形為主，框架是以剪切變形為主，由于變位協(xié)調(diào)，在頂部框架協(xié)助剪力墻抗震，在底部剪力墻協(xié)助框架抗震，其抗震性能由于較好地發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)而大為提高。因此可以適用于各種不同高度建筑物的要求而被廣泛采用。板柱- 剪力墻結(jié)構(gòu)，由于在板柱框架體系中加入了剪力墻或井筒，主要由剪力墻構(gòu)件承受側(cè)向力，側(cè)向剛度也有很大的提高。這種結(jié)構(gòu)目前在7、8度抗震設(shè)計(jì)的高層建筑中有較多的應(yīng)用，但其適用高度宜低于一般框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。

三、高層結(jié)構(gòu)的布置問題分析

在高層一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則、剛度和承載力分布均勻。豎向體型宜規(guī)則均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應(yīng)采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。并應(yīng)符合下列要求：1）應(yīng)具有必要的承載能力、剛度和變形能力；2）應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)體系喪失承受重力、風(fēng)荷載和地震作用的能力；3）對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取有效措施；4）結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部突變和扭轉(zhuǎn)效益具有多道抗震設(shè)防。5）宜有多道抗震防線。

四、高層結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

高層的結(jié)構(gòu)計(jì)算目前在國、內(nèi)外都已廣泛用于電腦軟件，特別是較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，必須借助于電算的結(jié)果。結(jié)構(gòu)電算軟件的正確運(yùn)用，要求結(jié)構(gòu)工程師具有清晰的結(jié)構(gòu)概念，能建立反映工程實(shí)際的計(jì)算模型，對計(jì)算結(jié)果的合理性、準(zhǔn)確性能進(jìn)行分析判斷。要求計(jì)算軟件的技術(shù)條件還應(yīng)符合規(guī)范及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并應(yīng)闡明其特殊處理的內(nèi)容和依據(jù)。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析時(shí)，應(yīng)采用不少于兩個(gè)合適的不同力學(xué)模型，并對其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。對所有計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)經(jīng)分析判斷確認(rèn)其合理、有效后方可用于工程設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)工程師在熟練運(yùn)用電算方法的同時(shí)，應(yīng)掌握必要的結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算方法，以便在方案和初步設(shè)計(jì)階段從整體上控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、對電算結(jié)果進(jìn)行分析校核，對設(shè)計(jì)中或施工過程中出現(xiàn)的問題及時(shí)處理解決。

五、提高結(jié)構(gòu)的抗震性能問題分析

由于高層建筑的受力特點(diǎn)不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設(shè)計(jì)，使建筑物達(dá)到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達(dá)到這一要求，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)使節(jié)點(diǎn)基本不破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應(yīng)使梁!柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了保證鋼筋砼結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構(gòu)造配筋要求，特別是要加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施。對于框架——剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效，按照“強(qiáng)墻弱梁”的原則加強(qiáng)墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。

六、結(jié)語

結(jié)構(gòu)工程師按抗震設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，其目標(biāo)是希望使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、延性及耗能能力等方面達(dá)到最佳，從而經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的目的。但是，由于地震作用是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的循環(huán)、往復(fù)荷載，建筑物的地震破壞機(jī)理又十分復(fù)雜，存在著許多模糊和不確定因素，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，計(jì)算方法還很不完善，單靠微觀的數(shù)學(xué)力學(xué)計(jì)算還很難使建筑結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)真正確保具有良好的抗震能力?，F(xiàn)階段，土與結(jié)構(gòu)物共同工作理論的研究與發(fā)展使建筑抗震分析在概念上進(jìn)一步走向完善，本文通過了高層建筑的受力特性、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)的計(jì)算、抗震性能等多方面的概念設(shè)計(jì)，從而更加有效地構(gòu)造出新的措施與計(jì)劃，完善建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱鏡清.結(jié)構(gòu)抗震分析原理[M].地震出版社，2002，11.

[2] 徐宜，丁勇春.高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)的探討(J].江蘇建筑，2009.

[3] 傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑I業(yè)出版社，1999.

[4] 豐定國，王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.