王雪濤

大象建筑設(shè)計有限公司 310000

摘要：結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計對結(jié)構(gòu)的抗震性能起決定性作用，而結(jié)構(gòu)布置則是概念設(shè)計的重要體現(xiàn)，本文通過結(jié)合實踐經(jīng)驗，針對結(jié)構(gòu)的豎向布置而展開探討，提出如何布置有利的高層建筑結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件，為同行提供借鑒。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計；豎向布置；結(jié)構(gòu)布置

一、結(jié)構(gòu)豎向布置技術(shù)要求

對由風荷載控制的高層建筑，由于作用于房屋的風荷載標準值是隨離地面的高度加高而增大，故宜采用上小下大的梯形或三角形立面。其優(yōu)點是可有效地縮小了較大風荷載值的受風面積，使樓房下部的風載傾覆力矩較大幅度地減小；而且從上到下樓層的抗推剛度和抗傾覆能力增長較快，與風載水平剪力和傾覆力矩的增長情況相適應(yīng)；樓房周邊向內(nèi)傾斜的豎向承力構(gòu)件軸力的水平分力，可部分抵消各樓層的風荷載水平剪力?？拐鹪O(shè)計的高層建筑，其立面形狀宜規(guī)則、簡單，也應(yīng)該采用矩形、梯形、三角形或雙曲線梯形等沿高度均勻變化的簡單幾何圖形。當采用三角形、梯形、雙曲線梯形等上小下大的簡單立面形狀的高層建筑，由于整個建筑的質(zhì)心位置下降，地震傾覆力矩減小，將取得與抗風同樣的經(jīng)濟效果。臺階多次逐漸內(nèi)收的立面形狀，也是較好的立面形狀。不規(guī)則立面形狀的高層建筑，地震作用下高振型的不利影響加劇；同時平面尺寸突然減小的樓層.可能因塑性變形集中效應(yīng)而使其層間側(cè)移值成倍地增長，對抗震不利。

二、豎向構(gòu)件布置

結(jié)構(gòu)的豎向布置要做到剛度均勻而連續(xù)，避免剛度突變，避免薄弱層，抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小。構(gòu)件上下層傳力直接、連續(xù)。當?shù)讓踊虻撞咳舾善鹑∠糠旨袅蛑訒r，應(yīng)加大落地剪力墻和下層柱的截面尺寸，盡量減少剛度削弱的程度，避免產(chǎn)生剛度突變，并提高這些樓層的樓板厚度。

如果建筑功能需要從中間樓層取消部分墻體時，則取消的墻不多于總墻量的1/4。日本阪神地震，中間部分樓層破壞是一個顯著特點。許多8～10層的框架結(jié)構(gòu)在第4、5層的部分柱子被壓壞，造成上部樓層下落，重疊在一起。原因可能就是中部樓層柱子截面尺寸、材料強度改變或取消了部分剪力墻，在 中部樓層產(chǎn)生剛度或承載力突變，從而形成結(jié)構(gòu)薄弱層。

如果在頂層取消部分剪力墻或內(nèi)柱，頂層取消的剪力墻也不宜多于總墻量的1/3?？蚣苋∠麅?nèi)柱后，全部剪力應(yīng)由外柱箍筋承受，因此對于頂層柱的箍筋應(yīng)全部加密。對高層建筑結(jié)構(gòu)豎向體型的不規(guī)則，除了在收進和外挑的水平尺寸上作出規(guī)定外，還在以下兩方面加以限制：1）抗震設(shè)計的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度與相鄰上部樓層側(cè)向剛度的比值。2）高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力與上一層的比值。

三、豎向結(jié)構(gòu)規(guī)則性布置

建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性對結(jié)構(gòu)的抗震能力至關(guān)重要，南美洲的馬那瓜地震中兩幢相隔不遠的高層建筑的震害情況很能說明問題。對比二棟高層建筑，相隔不遠，一幢是15層的中央銀行，另一幢是18層的美洲銀行大廈。前一幢的建筑結(jié)構(gòu)嚴重不規(guī)則，地震時破壞嚴重，地震后拆除，后一幢建筑結(jié)構(gòu)很規(guī)則，地震時只輕微損壞，地震后僅稍加修理便恢復使用。對于中央銀行來說，其平面不規(guī)則具有極大的扭轉(zhuǎn)偏心效應(yīng)，4層以上的樓板僅50mm厚擱置在14m長的小梁上，小梁的全高僅450mm，這樣一個樓面體系是十分柔弱的，抗側(cè)力的剛度很差，在水平地震作用下產(chǎn)生根大的樓板水平變形和豎向變形。另外，該建筑的豎向不規(guī)則性體現(xiàn)在，塔樓的上部（四層樓面以上），北、東、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在四層樓板水平處的過渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（柱子的間距達9.4m）。形成上下兩部分嚴重不均勻，不連續(xù)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)）。由于這樣的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，該建筑在這次地震中遭受了以下的主要破壞：第四層與第五層之間（豎向剛度和承載力突變），周圍柱子嚴重開裂，柱鋼筋壓屈；橫向裂縫貫穿三層以上的所有樓板（有的寬達10mm），直至電梯井的東側(cè)；塔樓的窗下和電梯井處的空心磚填充墻及其他非結(jié)構(gòu)構(gòu)件均嚴重破壞或倒塌。

通過對這幢建筑在地震后進行了計算分析，分析結(jié)果表明：①結(jié)構(gòu)存在十分嚴重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；②塔樓四層以上北面和南面的大多數(shù)柱子抗剪能力大大不足，率先破壞；②在水平地震作用下，柔而長的樓板產(chǎn)生可觀的豎向運動等等。震害表明，框架柱或剪力墻不連續(xù)，樓層柔弱或樓板大開洞等，往往會造成結(jié)構(gòu)不規(guī)則的地震作用傳遞途徑。如果這些不規(guī)則傳力部位處相鄰構(gòu)件的強度差異較大，就容易引起這部分構(gòu)件的非彈性變形集中，這些部位都是抗震上的不利之處。

實際上引起建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則的因素還有很多，特別是復雜的建筑體型，很難—一用若干簡化的定量指標來劃分不規(guī)則的程度并規(guī)定限制范圍，但是，有經(jīng)驗的、有抗震知識素養(yǎng)的建筑設(shè)計人員應(yīng)該對所設(shè)計的建筑的抗震性能有所估計，要區(qū)分不規(guī)則、特別不規(guī)則和嚴重不規(guī)則等的不規(guī)則程度，避免采用抗震性能差的嚴重不規(guī)則的設(shè)計方案。

四、工程實例

某公寓樓地下1層，地上南樓22層，北樓23層，結(jié)構(gòu)高度為73.200 m，另有2層局部突出，結(jié)構(gòu)最高點高度為79.800m，結(jié)構(gòu)平面尺寸為22.4m×44.4m，高寬比為3.26，公寓樓單體建筑面積約2萬m2?？拐鹪O(shè)防烈度為6度；設(shè)計地震分組為第一組；基本地震加速度值為0.05，建筑場地類別為iii類；建筑結(jié)構(gòu)抗震等級：剪力墻為三級，框架四級，框支柱二級，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05；基本風壓取0.9kn/m2，；結(jié)構(gòu)體系為部分框支剪力墻。

建筑設(shè)計方案造成結(jié)構(gòu)平面與豎向布置不規(guī)則，一方面，南北兩幢樓兩個主軸方向剪力墻布置剛度差異較大，且因建筑要求不能在剪力墻和框架柱處連續(xù)布置，抗側(cè)力體系連接較薄弱；另一方面由于建筑要求外立面開有較大的落地窗，周邊剪力墻較少、多為一字形墻，有墻垛者也較小，僅為500mm長，并設(shè)有角窗；角部既無墻亦無柱致使結(jié)構(gòu)平面布置不規(guī)則，抗扭剛度較小。對原設(shè)計的結(jié)構(gòu)電算表明：公寓樓的第一振型為扭轉(zhuǎn)平動耦合振型，按《高規(guī)》其扭轉(zhuǎn)基本周期與平動基本周期之比不應(yīng)大于0.9，而本工程計算結(jié)果大于1.1。結(jié)構(gòu)豎向布置，由于消防車道的架空的要求，北樓北側(cè)的剪力墻無法落地，只能框支轉(zhuǎn)換。少數(shù)轉(zhuǎn)換大梁支承在單片墻上，致使結(jié)構(gòu)堅向布置不規(guī)則。

本工程除綜合模型的分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)設(shè)計外，還采取了以下構(gòu)造措施：剪力墻的布置根據(jù)不同的平面位置采用不同的墻體厚度，周邊的剪力墻厚一些，小間部位的剪力墻薄一些，同時對剪力墻的布置及連梁高度進行優(yōu)化，適當加高周邊框架梁及連梁的高度至700mm，調(diào)整使得結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期比值為0.864小于0.9，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層問位移小于該樓層平均值的1.4倍。同時加大一字形山墻的豎向配筋，角窗部位的樓板內(nèi)加設(shè)斜向構(gòu)造粗鋼筋，且轉(zhuǎn)換構(gòu)件層上下樓板厚度加大剛度加大。

五、結(jié)語從工程實踐表明，對于高層建筑的豎向體形宜規(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)采用嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。應(yīng)以結(jié)構(gòu)在水平荷載（地震作用；風荷載）作用下產(chǎn)生最小的內(nèi)力和變形為最佳。

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