基于钢筋混凝土高层建筑结构受力特点分析

刘建伟

(山西工程职业学院，山西 太原 030009)

1 高层建筑中运用的主要结构方式

高层建筑物的结构形式是极为多样的，从材料来看，其可分为钢筋混凝土结构、钢结构、砖石结构以及钢结构与钢筋混凝土混合结构等。钢筋混凝土结构具有较多的优势，例如成本低、材料来源广泛、便于就地取材等，对于各种复杂的建筑形式都能够较好地浇筑完成，在对高层建筑物进行科学合理的设计后，还能够有效地节省钢材用量，同时具有较好的抗震性能和抵抗风荷载的能力。另外，钢筋混凝土结构体系也较为丰富，能够有效构成多种混合结构体系。不过其也存在着一些缺点，例如构件的截面较大，减少了建筑的净面积，这些缺点在实际的高层建筑中需要多加注意。正因为钢筋混凝土结构具有较多优点，其在高层建筑物建设中是一种首选的建筑结构形式。而对于钢结构这一结构形式，其也有着较多的优点，例如轻质高强，具有较好的延伸性以及抗震性能。同时钢结构还能够有效适应建筑中大的跨度及空间方面的需求，在我国大型的公共建筑中较为常见。在钢与混凝土组合结构中，充分发挥了钢结构以及钢筋混凝土结构的优点，其在侧向刚度方面也比钢结构强，而结构方面的造价则在两种结构方式之间，在施工建设速度上是快于钢筋混凝土结构的，在结构面积上比钢筋混凝土小。例如，在高层建筑中采用钢管混凝土柱，能够充分发挥钢材的抗拉强度和混凝土的抗压强度，使得柱的承载力得到了显著提高，延性性能得到显著改善[1]。

2 高层建筑结构中的受力特征

在受力特点方面，可以将高层建筑看作一端固定在地基中的竖向悬臂构件，承受水平和竖向荷载。在高层建筑中可以将建筑柱中的轴向力和建筑层数看做一个线性关系。高层建筑物中的水平力呈现出来的是倒三角形的分布形态，而且在高层建筑物水平力的作用下，其结构底部位置中的弯矩和高度之间呈现一个正比平方的关系，并且高层建筑物中顶点的位移和高度之间形成一个四次方正比关系。通过这些情况可以明确水平荷载和侧移在高层建筑物中的分析及设计中占据着的重要位置，而且其往往是极为关键的控制元素[2]。

框架结构本身是一种柔性结构方式，在剧烈的震动中，其结构以及楼层间的位移情况都极大，进而导致震动后受损严重，这一结构会主要被运用在普通、楼层数较少的建筑物中，同时还需确认使用此类建筑结构的地区不会出现地震等地质灾害。在框架结构中其整体性的变形主要为剪切变形，因为其位移在底部位置最为严重。另外在建筑物框架结构节点水平力的作用中，建筑物的杆、梁以及柱等的弯矩图呈现出了一种直线样式，其中，框架柱中的刚度对比于建筑物的梁来说并没有过大的差别，对此，建筑物柱中往往会存有一个反弯点。

在剪力墙结构中，因为剪力墙本身存在较强的刚度，有着极好的抗侧能力，空间的整体性能较好，被广泛地运用到了高层建筑物建设中。从整体变形这一角度来看，剪力墙的整体变形为弯曲型，其位移最大的部位在于结构顶部。其墙肢刚度与建筑物梁相比更大，而且在墙肢弯矩图中其几乎不存在反弯点。另外，洞口的存在与否、大小、具体形状以及位置等方面的差异也会对剪力墙的受力性能造成较大的影响。种类不同的剪力墙，截面应力分布也是不同的。对此，需要注意对截面的高厚比进行有效地控制，当墙肢中的高厚比较小时，墙肢就会被过度地削弱，进而出现反弯点。在《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)中有着这样的规定，当高厚比小于等于4时，墙肢的受力性能与柱的受力性能大致相同，这时就需要依据柱来进行设计，而且还需保证高厚比大于8，以此杜绝短肢剪力墙现象的发生[3]。

在框剪结构中，其主要是由框架与剪力墙组合而成的一种结构体系，在这一结构体系中，其既有剪力墙又有框架，这两者间是由平面中刚度无限大的楼板进行连接起来的，在水平力的作用下，两者间的水平位移步调是一样的，两者将无法独立进行变形，当刨除扭转这一影响时，应当确保在同一建筑层中两者的水平位移步调是一致的。对此，在水平力的作用中，框剪结构中的变形曲线主要展现出来的是一种反S形。在高层建筑下半部的楼层中，剪力墙能够承担起大部分的剪力作用。但是在高层建筑上半部的楼层中，框架结构中存有大量的剪力。在框剪结构中，其出现水平位移取决于高层建筑楼层间和楼层高度间的比较控制，并不是由顶点水平位移进行控制的[4]。

核心筒结构具有较强的抗侧刚度且受力方面也较为明确，更利于工作人员对其进行分析。在高层建筑的核心筒设计中，核心筒附近总会布置一定量的柱子，进而构成框架核心筒。核心筒附近的柱子因受到竖向的荷载会使得楼盖结构中的跨度得以减少，不过柱子在侧向力的承受方面显现的效果较小，侧向力的承受主要由核心筒担任。在侧向力的作用中，框架核心筒这一结构体系的受力类似于薄壁箱型结构，不过其也有自身特性。从材料力学这一方面来看，若侧向力作用到箱型结构体系上，箱型结构中界面的正应力会呈现出一种线性的分布状态，而且对应的应力图形会在翼缘位置上形成一个矩形，而在腹板位置上则会形成两个一压一拉的三角形。但若侧向力在框架核心筒结构上产生作用，会因为剪力方面存有滞后而导致框架核心筒结构的底部位置中的柱内正应力展现出一种曲线分布情况，其中角柱位置最大，在中部这一位置朝后会越来越小。在核心筒结构中，侧向力方面产生的剪力会由腹板承受。在核心筒中核心筒结构体系中，其侧向产生的剪力则会由外部核心筒中的腹板框架以及内部核心筒中的腹板承受[5]。

3 高层建筑中的结构体系及其布置

3.1 高层建筑物结构中的布置准则

在平面上若想要高层建筑物的结构布置较为工整、简单以及对称，那么可以使用方形、矩形以及圆形等有效应对水平荷载，尤其是有效应对地震灾害的建筑平面。若建筑物的平面存有突出，那么就需要尽量缩短突出长度，并在凹角处采用对应的措施进行强化，以此来保证建筑物的安全性及稳定性。在高层建筑物结构中，需要尽量促使其刚心、质心和水平外力合力中的作用线重合，避免出现偏差，若存有偏差，否则会产生较多的不良影响，影响到整个高层建筑物的建设施工。高层建筑物结构中的高宽比也需要进行有效的控制，其不能超过对应的限制数值。另外，需要依据竖向结构，促使建筑结构中的刚度及质量均匀排布，避免出现过大的偏差，而且还需有效避免出现夹层、错层以及抽柱等现象，否则会对结构的受力产生较大的影响。当然，对应的高层建筑施工设计工作人员还需对建筑中的变形缝进行设计，建筑施工工作人员也需依据对应到的设计开展施工工作[6]。

3.2 高层建筑物中的结构体系

首先，在框架结构体系中的柱网分布中。在同样的情况下需要依据使用具体要求以建筑物的平面来确认柱网的分布情况，在合理考虑建筑物的楼层高度后，方可对建筑物的梁以及柱截面的样式及尺寸进行确认。另外，在高层建筑物的梁柱构件中需将其以刚接方式进行建模，通常这一类型的柱网尺寸在6～8 m，在这一数值，不仅符合建筑需求，而且能够有效地节省成本支出。一般情况中，柱网可以设置为横向、纵向以及横纵向混合的框架承重[7]。

其次，在高层建筑物的楼面及屋面层中。在高层建筑物的设计环节中，需要有一个假定，楼面层在平面中的抗弯刚度应当为无限大，而这就需要楼面及屋面层在满足竖向荷载作用力的设计之后能够保有一定的刚度。

其次，在剪力墙结构体系的平面设置中。在高层建筑物的剪力墙设置中，通常会采用多向或者双向的形式进行设置，可以设置为拉通对直以及纵横交叉等形式，而像十字头以及鱼骨形的剪力墙样式则不可设立。若高层建筑物中的剪力墙过长，那么就可以采用楼板将建筑物分成一个个的独立墙段。在剪力墙的竖向设置中，需要促使剪力墙沿着竖向的位置进行贯通，墙体的厚度也应当逐步对其进行减小，同时还需避免剪力墙中出现刚度变化，以免应力过度集中。在高层建筑物的剪力墙中，其门窗应当对齐，以此来形成较为明确的墙肢以及连梁，切记不可设置错开的门窗，否则可能会导致墙肢中的刚度出现较大的差距[8]。

最后，在高层建筑物的框剪结构体系中的平面设置中，在地震带中，高层建筑物中的剪力墙应当顺沿房屋中的纵向及横向这两个方向来进行设立。通常情况中，应当将剪力墙在高层建筑物中的端部区域进行对称的设立，促使其分布在平面形状变化位置以及恒载大的区域中。若剪力墙离端部越近，那么就能够促使建筑物结构整体的抗扭转能力越得以增强。另外，需将剪力墙的位置设立在抗侧刚度的中心，以促使其能够与质心更近，进而使得发生地震后对建筑物的扭转作用得以减小。在设立纵向的剪力墙时，应当将其设立在建筑物结构单元中的中间区域。若高层建筑物较长，剪力墙就不能设立在高层建筑物的两端。若高层建筑物中的剪力墙墙肢截面过于宽大，那么就可以巧妙地运用建筑物中的门窗口以及施工留下的洞口来让其形成一种联肢墙[9]。

3.3 高层建筑结构中的设计

在建设高层建筑物的过程中，需要选择优良的地段来开展建设施工，避免因地面发生变形现象而影响到建筑物的安全性。在地震能量的输入中，也需要尽量减少。为了能够有效降低地震后对建筑物造成的反应，还需要提升高层建筑物结构阻尼，并使用较强延伸性能的构件。在高层建筑物中，优良的建筑物体形设计也是非常重要的，简洁、平整、合适的高度、科学合理的高宽比以及合理的变形缝等在高层建筑物中都是极为重要的因素，只有做好了这些才能更好地保证高层建筑物的安全、质量以及使用。另外，在高层建筑物中材料质量也是一个极为重要的因素，只有建筑材料的质量得到有效的保障，才能促使高层建筑物的质量得到保证，使结构的受力性能得以提升，进而促使高层建筑物能够积极地投入到使用中[10]。

4 结束语

在钢筋混凝土建筑物中，其结构受力这一因素是极为重要的，不同的高层建筑物结构受力特点也不同，相关设计及施工人员需要依据具体建筑物结构的特性来设计合理的施工方案，并依据具体的施工方案来开展施工，以促使钢筋混凝土建筑物的结构受力在适宜范围内。

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