结构选型对高层建筑结构抗震设计的分析

张忠良

(身份证号：510623198112213515）

结构选型对高层建筑结构抗震设计的分析

张忠良

(身份证号：510623198112213515）

本文从结构选型的角度对高层建筑结构抗震设计进行分析，主要从结构类型、结构体系、结构布置等几个方面进行了研究分析。

高层建筑；结构抗震；抗震设计

一、结构体系的合理正确选择

高层建筑的结构设计关键是抗水平力的设计，抗水平力简称抗侧力。根据抗侧力结构特点，钢筋砼结构主要可分为框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构和筒体结构等4种结构体系，其抗侧刚度、抗震性能、适用范围等各有不同。

砼框架结构系由梁和柱等构件连接成框架，梁主要承受竖向力，柱子承受竖向和水平方向荷载，是典型柔性结构；该结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用。能提供灵活布置的室内空间。侧向变形较大，在强烈地震作用下，结构的薄弱层率先屈服，发生弹塑性变形，并形成弹塑性变形集中的现象，震害一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更容易发生破坏，除剪跨比较小的短柱易发生柱中剪切破坏外，一般柱是柱端的弯曲破坏。因此框架结构属于以剪切变形为主的柔性结构，使用高度受到限制，主要用于非抗震设计和层数相对较少的建筑中。

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构，在高层房屋中被大量运用。剪力墙一般沿横向和纵向正交布置或斜交布置，承受全部的水平荷载和竖向荷载，是典型刚性结构。剪力墙结构的抗侧力刚度比框架结构大很多，侧向变形量小，整体性好；但其自重大，结构布置局限性大，很难实现建筑内部大空间的设计。常常用于墙体较多，房间空间不大的住宅建筑中，可以以墙代柱与梁，使室内无外露梁柱，实现美观和增大空间的效果。

框架-剪力墙结构是由框架与剪力墙结构综合演变而来的一种结构，在框架结构中的某些合适部位增设一些剪力墙，是典型刚柔相结合的结构体系。能够集合框架结构和剪力墙的优点，提供比剪力墙结构更大的空间，比框架结构更大抗侧刚度，剪力墙主要承受水平荷载，竖向荷载由框架承担。一般适宜用于 10～20层的高层建筑。

筒体结构是由一个或数个筒体作为主要抗侧力构件而形成的，由框架-剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变而来，是将剪力墙或密柱框架集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点是主要抗侧力由四周的剪力墙围成竖向薄壁筒和柱框架组成竖向箱形截面的框筒，形成整体，整体作用抗荷。剪力墙集中而获得较大的自由分割空间，但结构负载，框架较重，成本高，适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑，多用于写字楼建筑。常常分为筒体－框架、框筒、筒中筒、束筒四种结构。

分析了几种常用的结构体系特点，不难得出，高层建筑结构抗侧力体系通常是通过剪力墙提高。

二、根据受力特点选择结构类型

高层建筑从整体上讲，可以看成一个竖向悬臂结构。竖向荷载主要使结构产生轴向压力，跟建筑物高度是正相关的关系；水平荷载使整体结构产生弯矩。竖向荷载方向不变，竖直向下，建筑越高荷载越大；水平荷载方向不定，四面八方均有可能，假定为均布荷载，弯矩与建筑高度呈二次方函数关系。竖向荷载引起的侧移小，而水平荷载引起的侧移大，是高度成四次方关系。在高层结构中，水平荷载的影响要远远大于竖向荷载的影响，水平荷载是高层结构设计的控制因素。

高层建筑主要受水平力影响（风载和地震作用），因此想要提高抗震性能，选择切实可行的结构类型，使之在相同的条件下，具有良好的结构性能、经济效果和建造速度是非常关键的。高层建筑的结构类型常用钢结构和钢筋砼结构。钢结构具有轻质高强、抗震性能好、施工工期短等优点，还具有构件截面相对较小，具有很好的延性，常适用于柔性结构。其缺点是造价相对较高，当场地土特征周期较长时，易发生共振。与钢结构相比，现浇钢筋砼结构具有空间整体性好，结构刚度大，造价低及材料来源丰富等优点，可以组成多种结构体系，在高层建筑中被广泛应用，比较适用于提供承载力，控制塑性变形的刚性方案结构。其缺点主要是自重大，塑性变形能力差，施工工期长，当场地土特征周期较短时，易发生共振。高层建筑采用何种结构形式，主要取决于结构体系、材料特性、场地土类型等。

三、合理布置结构

在高层建筑的结构设计中，结构布置一般应考虑以下几点：

1.应满足建筑功能的要求，做到经济合理与便于施工。建筑物的开间、进深、层高、层数等平面关系和体型除满足使用要求外，应尽量减少类型，尽量统一柱网布置和层高，使受力明确，结构简明，减少标准层的种类。

2.位移是高层建筑控制主要矛盾，除应从平面布局和立面变化等方面考虑提高结构的总体抗侧刚度，从而减少结构的位移。在结构布置时，应提高结构的整体性、刚度、构件的连接，达到最有效的共同作用的方式；提高基础的整体性，以减少由于基础扭转或平移对结构的侧移作用，同时应加强结构的薄弱部位和应力复杂部位的强度。增强结构整体宽度可减少侧向位移，当其它条件不变时，变形与宽度的三次方成正比。因此宜对建筑物的高宽比加以限制，体型扁而重的建筑抗震性能不佳，宜采用刚度较大的形状，如方形、接近方形的矩形、圆形等，即把使用要求及建筑体型多样化和结构的要求有机地结合起来，又可形成侧向稳定的体系。

3.建筑平面形状宜规则，竖向变形宜均匀。为了减少地震作用对建筑结构的整体和局部的扭转和应力集中效应等不利影响，建筑平面形状宜规则，减少较大的外伸或内收，沿高度的层间刚度和层间屈服强度的分部要均匀，抗侧力竖向构件的截面尺寸、砼强度等级和配筋量的变化不宜集中在同一楼层内，在设计和施工中不宜盲目改变砼强度等级和钢筋等级以及配筋量。简单地说就是使结构各部分刚度均匀且对称，平面形状应力求简单规则，立面体型应避免外伸与内凹，避免结构竖向刚度突变等。平面的长宽比不宜过大，以避免两端相距太远，振动不同步，应使荷载合力作用线通过结构刚度中心，以减少扭转的影响。楼梯与电梯间不宜设在平面凹角部位或端部角区，它对结构刚度的对称性影响显著。

四、提高结构的抗震性能

高层建筑的受力特点与低层建筑不同，因此进行高层建筑结构设计时，建筑结构具备足够强度、刚度外和良好的抗震性能。通过科学的抗震设计，使建筑物达到“小震不坏，中震可修，大震不倒”标准。常用的方法是，使结构具有一定的塑性变形能力来吸收消耗地震能量，从而减弱地震的破坏。

按照“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的原则进行结构设计，可以在地震作用下实现钢筋砼结构具有足够的延性和抗破坏能力。常常采用合理地选择柱截面尺寸、控制柱的轴压比、构造配筋要求和加强节点的构造措施等方式。

剪力墙高宽比不宜小于2，地震作用下呈弯剪破坏，且塑性屈服尽量发生在剪力墙的底部。连梁应有足够的变形能力，塑性屈服宜在梁端，按照“强墙弱梁”的原则设计剪力墙，提高其抗震能力，避免墙肢的剪切破坏。

五、结束语

通过了高层建筑的受力特性、结构类型、结构体系、结构布置、抗震性能等多方面的概念设计，从而更加有效地提高高层建筑的抗震性能。

[1]马成松.建筑结构抗震设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2010

[2]龚思礼. 建筑抗震设计手册(第二版)[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

TU7

B

1007-6344（2016）07-0067-01

张忠良（1981.12～），男，生于四川中江，本科，工程师/讲师,主要研究方向：建筑结构设计、结构抗震、地基基础。