基于高层混凝土建筑抗震结构设计分析研究

【关键词】高层建筑；框架结构；剪力墙结构；抗震设计 

　　前言 

　　随着我国高层建筑的高速发展，结构体系日趋多样化，建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂，这就给高层建筑结构分析和设计提出了更高的要求。如何高效、准确地对高层结构体系进行内力分析，是结构工程师设计高层建筑结构时函待解决的重要课题。本文通过对高层建筑结构设计过程中经常遇到的问题进行分析，为高层建筑结构抗震设计提供计算方法及理论依据。 

　　一、高层结构的特点分析 

　　高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构，垂直荷载主要使结构产生轴向力与建筑物高度大体为线性关系；水平荷载使结构产生弯矩。从受力特性看，垂直荷载方向不变，随建筑物的增高仅引起量的增加；而水平荷载可来自任何方向，当为均布荷载时，弯矩与建筑物高度呈二次方变化。从侧移特性看，竖向荷载引起的侧移很小，而水平荷载当为均布荷载时，侧移与高度成四次方变化。由此可以看出，在高层结构中，水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响，水平荷载是结构设计的控制因素，结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外，同时要求结构要有足够的刚度，使随着高随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。 

　　二、高层的结构体系选择问题分析 

　　高层建筑结构应根据建筑使用功能、房屋高度和高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、地基情况、结构材料和施工技术等因素，综合分析比较，选择适宜的结构体系。高层建筑钢筋混凝土结构可采用框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体和板柱-剪力墙结构体系。框架结构可为建筑提供灵活布置的室内空间。当建筑物层数较少时，水平荷载对结构的影响较小，采用框架结构体系比较合理；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。剪力墙结构中，剪力墙沿横向、纵向正交布置或多轴线斜交布置，由钢筋砼墙体承受全部的水平荷载和竖向荷载，属于以弯曲变形为主的刚性结构。该种结构的抗侧力刚度大，在水平力作用下侧向变形小，空间整体性好。但剪力墙结构自重大，建筑平面布置局限性大，难以满足建筑内部大空间的要求。因此更多地用于墙体布置较多，房间面积要求不太大的建筑物中，既减少了非承重隔墙的数量，也可使室内无外露梁柱，达到整体美观。框架——剪力墙结构是指在框架结构中的适当部位增设一些剪力墙，是刚柔相结合的结构体系，能提供建筑大开间的使用空间，是由若干道单片剪力墙与框架组成。在这种结构体系中，框架和剪力墙共同承担水平力，但由于两者刚度相差很大，变形形状也不相同，必须通过各层楼板使其变形一致，达到框架和剪力墙的协同工作。从受力特点看，剪力墙是以弯曲变形为主，框架是以剪切变形为主，由于变位协调，在顶部框架协助剪力墙抗震，在底部剪力墙协助框架抗震，其抗震性能由于较好地发挥了各自的优点而大为提高。因此可以适用于各种不同高度建筑物的要求而被广泛采用。板柱- 剪力墙结构，由于在板柱框架体系中加入了剪力墙或井筒，主要由剪力墙构件承受侧向力，侧向刚度也有很大的提高。这种结构目前在7、8度抗震设计的高层建筑中有较多的应用，但其适用高度宜低于一般框架—剪力墙结构。 

　　三、高层结构的布置问题分析 

　　在高层一个独立的结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则、刚度和承载力分布均匀。竖向体型宜规则均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。并应符合下列要求：1）应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；2）应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构体系丧失承受重力、风荷载和地震作用的能力；3）对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施；4）结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效益具有多道抗震设防。5）宜有多道抗震防线。 

　　四、高层结构的计算分析 

　　高层的结构计算目前在国、内外都已广泛用于电脑软件，特别是较复杂的结构形式，必须借助于电算的结果。结构电算软件的正确运用，要求结构工程师具有清晰的结构概念，能建立反映工程实际的计算模型，对计算结果的合理性、准确性能进行分析判断。要求计算软件的技术条件还应符合规范及有关标准的规定，并应阐明其特殊处理的内容和依据。对于复杂结构，在多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个合适的不同力学模型，并对其计算结果进行分析比较。对所有计算机计算结果，应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。结构工程师在熟练运用电算方法的同时，应掌握必要的结构简化计算方法，以便在方案和初步设计阶段从整体上控制结构设计的合理性、对电算结果进行分析校核，对设计中或施工过程中出现的问题及时处理解决。 

　　五、提高结构的抗震性能问题分析 

　　由于高层建筑的受力特点不同于低层建筑，因此在地震区进行高层建筑结构设计时，除应保证结构具有足够的强度和刚度外，还应具有良好的抗震性能。通过合理的抗震设计，使建筑物达到小震不坏，中震可修，大震不倒。为了达到这一要求，结构必须具有一定的塑性变形能力来吸收地震所产生的能量，减弱地震破坏的影响。框架结构设计应使节点基本不破坏，梁比柱的屈服易早发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜晚形成，应使梁!柱端的塑性铰出现得尽可能分散，充分发挥整体结构的抗震能力。为了保证钢筋砼结构在地震作用下具有足够的延性和承载力，应按照“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的原则进行设计，合理地选择柱截面尺寸，控制柱的轴压比，注意构造配筋要求，特别是要加强节点的构造措施。对于框架——剪力墙结构和剪力墙结构中各段剪力墙高宽比不宜小于2，使其在地震作用下呈弯剪破坏，且塑性屈服尽量产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效，按照“强墙弱梁”的原则加强墙肢的承载力，避免墙肢的剪切破坏，提高其抗震能力。 

　　六、结语 

　　结构工程师按抗震设计要求进行结构分析与设计，其目标是希望使所设计的结构在强度、刚度、延性及耗能能力等方面达到最佳，从而经济地实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的目的。但是，由于地震作用是一种随机性很强的循环、往复荷载，建筑物的地震破坏机理又十分复杂，存在着许多模糊和不确定因素，在结构内力分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，计算方法还很不完善，单靠微观的数学力学计算还很难使建筑结构在遭遇地震时真正确保具有良好的抗震能力。现阶段，土与结构物共同工作理论的研究与发展使建筑抗震分析在概念上进一步走向完善，本文通过了高层建筑的受力特性、结构体系、结构布置、结构的计算、抗震性能等多方面的概念设计，从而更加有效地构造出新的措施与计划，完善建筑结构设计。 

　　参考文献 

　　[1] 朱镜清.结构抗震分析原理[M].地震出版社，2002，11. 

　　[2] 徐宜，丁勇春.高层建筑结构抗震分析和设计的探讨(J].江苏建筑，2009. 

　　[3] 傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑I业出版社，1999. 

　　[4] 丰定国，王社良.抗震结构设计[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.