全 靈

(廣西來賓市城市建設開發(fā)投資有限責任公司，廣西來賓546100)

1 高層建筑結構受力特點

與低層、多層建筑結構相比，高層建筑結構因層數(shù)增多和高度增大而承受更大的豎向荷載，使墻柱軸向變形增加，承載力要求更高；同時水平作用如風荷載和地震作用成為結構設計的控制因素，側向力產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。高層建筑結構在均布水平荷載作用下，豎向平面構件的彎矩與建筑的總高度呈二次方關系，側向位移與總高度呈四次方關系。過大的側向位移會使人感覺不舒服，使填充墻、建筑裝修等非結構構件和剪力墻、承重墻、柱等結構構件出現(xiàn)裂縫和破壞，使豎向荷載由于P-Δ效應而產生顯著的附加彎矩甚至引起倒塌，于是抗側力結構的設計成為高層建筑結構設計的關鍵。

在高層建筑中，有框架、剪力墻、筒體等豎向抗側力結構，有水平放置的樓板將它們連成整體，共同作用。在結構計算中，通常假定一片框架或墻在其自身平面內剛度很大而在其側面剛度很小，水平放置的樓板同樣也可視為剛度無限大的平板，剛性樓板將各平面抗側力結構連接在一起共同承受側向水平荷載。可將建筑結構體系劃分豎向分體系和水平分體系，豎向分體系包括柱、承重墻、剪力墻、筒體等，承受豎向荷載作用并將之直接傳遞給基礎，提供抗側力抵抗水平荷載作用，水平分體系將各豎向分體系構件連成整體，具有整體結構性能，使建筑結構整體共同作用。

2 高層建筑的概念設計

高層建筑的概念設計是從建筑物的平面形狀、剖面和總體型著手。首先是控制結構高寬比，目的是控制結構剛度及側向位移?？紤]選擇合理的結構平面形狀，力求盡量規(guī)則、簡單、對稱，減少復雜受力和扭轉受力。值得注意的是當建筑物長度較大時，在風力作用下，可能因風力不均及風向紊亂引起結構扭轉、樓板平面撓曲，因此應當限制建筑長寬比。結構布置形式要對抗震有利，要使結構的剛度中心和質量中心盡量重合以減小扭轉，要注意剛度的均勻對稱，控制結構凸出部分的尺寸比例不使應力集中程度過大。在結構的豎向布置上也應注意剛度均勻而連續(xù)，要盡量避免剛度突變或結構不連續(xù)。底層柔上部剛的結構使結構變形集中在底層導致結構倒塌，而下部剛度大而到頂部剛度突然減小的結構容易產生“鞭梢”效應；結構豎向體型應力求規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內收，側向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，對薄弱部位如轉換層尚應采取有效地抗震或構造措施。此外，高層建筑應當避免設縫，并從總體布置和構造上采取一些相應的措施來減小沉降、溫度收縮和體型復雜引起的問題，如采用平面布置簡單、長度不大的塔式樓，以加強結構整體性。

3 高層建筑的結構體系

常見的高層建筑結構體系有五種：框架結構體系，剪力墻結構體系，框架—剪力墻結構體系，筒體結構，多筒體系。

框架結構由梁柱組成，其最大優(yōu)點是建筑平面布置靈活，可以做成較大空間，也可用隔斷分隔成小房間，墻體用非承重構件，降低了結構自重。在水平力作用下，框架結構的側移可分解為由兩部分組成：一部分側移由柱和梁的彎曲變形產生，框架下部梁柱內力大，層間變形也大，愈到上部層間變形愈小，使整個結構呈現(xiàn)剪切型變形；一部分由柱的軸向變形產生，即柱的拉伸和壓縮使結構出現(xiàn)側移，這種側移在上部各層較大，愈到底層層間變形愈小，使結構呈現(xiàn)彎曲型變形?？蚣芙Y構以柱梁彎曲變形產生的側移為主，呈現(xiàn)剪切型變形。梁柱的截面尺寸決定著框架的抗側移剛度，而通常梁柱截面慣性矩小，側向變形較大，這是框架結構的主要缺點，基于此通過“延性框架”設計可使框架獲得良好的延性，從而具有較好的抗震性能。

剪力墻結構利用建筑物墻體承受豎向荷載、抵抗水平作用，因其整體性好，剛度大，水平荷載作用下側向變形小而用于高層建筑。剪力墻結構側向位移呈彎曲型變形，按開洞情況、受力特點(承受的整體彎矩和局部彎矩)、計算方法不同而分為整體墻和小開口整體墻(基本上采用材料力學計算方法)、雙肢剪力墻和多肢剪力墻(可采用連續(xù)連桿法分析計算，對壁式框架可按帶剛域框架簡化計算)、框支剪力墻、開有不規(guī)則大洞口的墻。剪力墻結構的局限性在于剪力墻間距不能太大，故平面布置不靈活，而且結構自重較大。

在框架結構中設置部分剪力墻，使框架與剪力墻兩者結合起來，共同抵抗水平荷載，就組成了框架—剪力墻結構體系；如果把剪力墻布置成筒體，就構成框架—筒體結構體系。剪力墻剛度大，承擔大部分水平力，是抗側力的主體；框架則承擔豎向荷載，提供較大的使用空間。水平荷載作用下，框架呈剪切型變形，剪力墻呈彎曲型變形，兩者通過樓板連接形成框架—剪力墻鉸接體系，或通過樓板和連梁連接形成框架—剪力墻剛接體系(剛結端對墻肢有約束彎矩作用)，框架與剪力墻協(xié)同工作，共同抵抗水平荷載，框架—剪力墻結構呈彎剪型變形。在高層建筑結構下部剪力墻的位移比框架要小，剪力墻拉框架；而在結構上部剪力墻的位移比框架要大，框架拉剪力墻?？梢詫⒓袅σ曌飨露斯潭?、上端自由，承受外荷載和框架彈性反力的“彈性地基梁”，而框架就是其“彈性地基”?？蚣堋袅Y構平面布置需注意這幾方面的問題：增加剪力墻的數(shù)量及抗彎剛度，結構剛度加大，地震作用就會隨之加大，因此剪力墻的數(shù)量不宜過多，而應以滿足位移限制作為設置剪力墻數(shù)量的依據(jù)；剪力墻布置要對稱以減少結構的扭轉效應，而且剪力墻靠近外圍布置可以加強結構的抗扭作用；應貫通全高使結構上下剛度連續(xù)均勻；在地震區(qū)縱橫兩個方向布置的剪力墻數(shù)量要盡量接近。

筒體的基本形式有實腹筒、框筒、桁架筒三種。(1)實腹筒用剪力墻圍成，實際上是一個懸臂箱形梁；(2)框筒由密排柱和剛度很大的窗裙梁形成的密柱深梁框架圍成，受力特點較為復雜。由于連梁的柔性產生了剪力滯現(xiàn)象，使得角部柱子軸向應力增加而中間柱子軸向應力減小，角柱軸力大于平均值，遠離角柱的各柱軸力小于平均值，這一作用使樓板產生翹曲，并因此而引起內部間隔和次要結構的變形，所以框筒結構的布置應盡可能減少剪力滯后充分發(fā)揮材料作用；(3)桁架筒的四壁由豎桿和斜桿構成的桁架組成。通常用框筒和桁架筒做為外筒，實腹筒做為內筒，形成筒中筒結構?？蛲矀认蜃冃我约羟行蜑橹?，核心筒以彎曲型變形為主，二者通過樓板聯(lián)系，協(xié)同工作，共同抵抗水平力?？蛲埠屯仓型步Y構的設計需考慮：要求設計密柱深梁，控制梁柱剛度比，梁線剛度大，柱密排；建筑平面宜接近方形，采用塔樓形式，長寬比不應大于2；結構高寬比宜大于3，高度不宜低于60 m；選擇合適的樓板體系；在稀柱層與密柱層間要設置轉換層。

多筒體系采用多個筒體共同抵抗側向力，典型的有：兩個以上框筒或其它筒體排列在一起成束狀形成束筒，最著名的例子即是西爾斯大廈，利用框筒成束狀排列減小了剪力滯現(xiàn)象；利用筒體作為柱子，在各筒體之間每隔數(shù)層用巨型梁相連形成巨型框架。

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