淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及淺談高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：我們的科學(xué)技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)，進(jìn)而我們的建筑業(yè)也催生出許許多多新的結(jié)構(gòu)和施工技藝。由于我們的社會(huì)對(duì)我們的高層建筑有了更高的要求，所以我們的高層建筑結(jié)構(gòu)也有了新的發(fā)展，本文就現(xiàn)代的一些高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和了解。關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)荷載結(jié)構(gòu)構(gòu)件0引言從古代以來(lái)，人類在建筑上就有向高處發(fā)展的構(gòu)想，并通過(guò)思考和研究，將高層建筑從夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。古埃及的金字塔凝結(jié)了多少古人的智慧結(jié)晶。21世紀(jì)以來(lái)，我們對(duì)于城市的空間需求越來(lái)越大，我們的空間利用率越來(lái)越高，我們的建筑物也變得越來(lái)越高，我們的高層建筑的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越來(lái)越先進(jìn)，水平越來(lái)越高。接下來(lái)就我們一起了解高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)吧。1高層建筑的界定一般來(lái)說(shuō)，我們判斷是否為高層建筑的依據(jù)為建筑的高度和層數(shù)。世界各地對(duì)于高層建筑的規(guī)定不同。按照我國(guó)建設(shè)部最近批準(zhǔn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，把十層以及以上或者建筑物的高度高于28m的稱作高層建筑。2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)結(jié)構(gòu)2.1承重墻結(jié)構(gòu)承重墻結(jié)構(gòu)在芝加哥19世紀(jì)80年代引人鋼框架和幕墻以前，承重墻是高層建筑物的主要支承結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的高層砌體建筑物是巨大的重力結(jié)構(gòu),在那里墻體被理解為獨(dú)立地發(fā)揮作用，它們的作用并不被看成整個(gè)三維空間建筑形體的一部分。直到第二次世界大戰(zhàn)后,經(jīng)過(guò)工程設(shè)計(jì)的薄墻砌體結(jié)構(gòu)才被引人歐洲。承重墻結(jié)構(gòu)大部分用于需要頻密空間劃分的建筑類型，如住宅建筑。承重墻的間距可以較密，例如12~18ft(3.6~5.4m),可直接作為房間之間的分隔，也可以拉開(kāi)間距，例如相隔30ft(9m)，采用大跨度的樓蓋體系來(lái)支承進(jìn)一步劃分空間的隔墻。15層或15層以上的磚、混凝土砌塊、預(yù)制混凝土大墻板或者現(xiàn)澆鋼筋混凝土的承重墻建筑,在今天還是很普遍，它們已經(jīng)可以蓋到26層高。承重墻原則上適合多種建筑形式和布局。平面形式涵蓋了從板式建筑、不同形狀的塔式建筑直至它們的任何組合。墻體布局也可以有不同的形式，例如十字墻、長(zhǎng)肢墻、雙十字墻、筒狀墻和輻射狀墻。[1]通過(guò)以上墻體的組合，可以得到無(wú)數(shù)種混合體系。墻體可以是自然地彼此連續(xù)排成一直線，也可以參差錯(cuò)列,它們可以相互交叉，也可以形成單個(gè)墻柱作為獨(dú)立構(gòu)件發(fā)揮作用。承重墻通常既承受重力又承受側(cè)向力。2.2核心筒結(jié)構(gòu)在20世紀(jì)60年代,Metabolists把沿著核心筒的豎向流通和服務(wù)空間清楚地分隔開(kāi)，他的思想影響了許多帶有外露式服務(wù)性豎井的多核心筒建筑物。這些都市建筑群按照KenzoTange"建筑物像生物一樣以新陳代謝的方式生長(zhǎng)”的話發(fā)展著，它們由很多服務(wù)性的塔樓組成，其間通過(guò)多層橫向通道彼此連接,這些塔樓又包含許多再分的間隔。[2]這種都市型的巨型結(jié)構(gòu)的例子還可以從20世紀(jì)70年代的醫(yī)院規(guī)劃中找到。住宅建筑的功能是固定的，水電氣的供應(yīng)容易沿豎向布置,因此直線布置的承重墻在住宅建筑中發(fā)揮了良好的作用。與此相反，辦公和商業(yè)建筑在布局上需要最大的靈活性，要求有大面積的開(kāi)放空間，并由活動(dòng)隔斷再作進(jìn)一步的分隔，因而在這里，豎向流通和其他服務(wù)管線需要集中設(shè)置在豎井里,然后水平地引導(dǎo)至每一樓層。2.3橋式結(jié)構(gòu)20世紀(jì)年代的設(shè)計(jì)師們把橋式構(gòu)的想法變成現(xiàn)實(shí).他們關(guān)注大規(guī)模城市建筑，并想把首層地面和服務(wù)空間與社會(huì)活動(dòng)隔離開(kāi)。橫跨兩個(gè)豎向支承的大跨度結(jié)構(gòu)有無(wú)數(shù)種可能的解決方案。與橋式結(jié)構(gòu)的概緊密聯(lián)系的是核心簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，許多建筑物通過(guò)類似橋梁的方式組成巨型框架來(lái)支承次級(jí)筑物。同樣地，一些懸掛結(jié)構(gòu)也以橋的原理為基礎(chǔ)，如在些超高層建筑里，為了穩(wěn)定的目的采用巨型框架或巨型斜撐，把建筑物重量集中到某些點(diǎn)上，并通過(guò)下列結(jié)構(gòu)將空間向連通起來(lái)，它們是空腹桁架、桁架、拱、懸吊拱及墻梁等。2.4懸掛建筑將懸掛原理應(yīng)用到高層建筑而不僅僅是用于屋蓋結(jié)構(gòu),實(shí)際上是20世紀(jì)的事,盡管涉及懸掛概念的實(shí)驗(yàn)可以追溯到20世紀(jì)20年代。這個(gè)時(shí)期的結(jié)構(gòu)主義者發(fā)現(xiàn)了大量新的支承結(jié)構(gòu)體系，追求用盡可能少的材料來(lái)表現(xiàn)沒(méi)有重感的建筑。即空間上的輕盈和外立面的通透，沒(méi)有粗大結(jié)構(gòu)構(gòu)件所產(chǎn)生的視覺(jué)障礙。與框架結(jié)構(gòu)的承壓柱相比,用纜索來(lái)懸吊樓板只需要大約1/6的材料，這個(gè)事實(shí)對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是個(gè)新的挑戰(zhàn)。除此之外,這種類型的結(jié)構(gòu)在其底部可以形成個(gè)沒(méi)有柱子的空間。從巨大的中央塔頂部伸出龐大的懸臂構(gòu)件，在它們的端部懸吊受拉的柱子.這樣的樹型建筑物如今已經(jīng)常見(jiàn)。它們的樓板或空間單元例如密封艙、盒子建筑)是用豎向或斜向的受拉構(gòu)件懸掛在支承結(jié)構(gòu)上的。典型的懸掛體系應(yīng)用的是剛性核心簡(jiǎn)原理(有外伸梁的單個(gè)核心簡(jiǎn)或多個(gè)核心簡(jiǎn)巨型框架、樹狀框架等)、牽索桅桿原理和整體張拉或空間網(wǎng)絡(luò)原理。[3]3高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與基本要求3.1水平作用是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素在高層建筑設(shè)計(jì)中，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是很重要的一環(huán)。高層建筑結(jié)構(gòu)不單單是要承受來(lái)自豎向的荷載(比如說(shuō)一些結(jié)構(gòu)的自身重量、樓里移動(dòng)的人或貨物帶來(lái)的活荷載)，然后還要承受像風(fēng)的荷載或者地震作用的水平作用。多層建筑，-般可以忽略由水平作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)側(cè)向位移對(duì)建筑使用功能或結(jié)構(gòu)可靠度的影響。[4]在對(duì)高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)的合計(jì)的過(guò)程中，然而作用在高層建筑物的豎向荷載的和多層建筑物所受到的作用非常的相似。柱子所受到的內(nèi)部的軸力隨著建筑物的高度的增大而變大，這種增大是呈線性關(guān)系而進(jìn)行變化的。然而因?yàn)榻ㄖ锼艿降乃胶奢d所導(dǎo)致的彎矩，隨著建筑物高度的增大而呈現(xiàn)出一種平方的增大的關(guān)系。3.2結(jié)構(gòu)剛度是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素要設(shè)計(jì)多少層或多高的建筑，這是出自使用的需要，而建筑平面和高度一經(jīng)確定，外荷載也就不容商榷。為抵抗外荷載(特別是水平作用)引起的內(nèi)力和制房屋的側(cè)向位移就要要求所使用的結(jié)構(gòu)具有非常大的強(qiáng)度和剛度。3.3高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用最佳的高寬比建筑物的高寬比，對(duì)于多層建筑來(lái)說(shuō)尚不突出，但對(duì)高層建筑卻顯得十分重要。建筑總高度與總寬度要保持合理的比例，才能使建筑體型美觀，又滿足抗風(fēng)抗震要求，這是最佳設(shè)計(jì)的主要條件之一。3.4選擇有利于抗側(cè)力的建筑體型在按照建筑的不同功能和不同層數(shù)選取合理的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)體系，并考慮其最佳高寬比的同時(shí)，還必須選擇有利于抗風(fēng)抗震的建筑體型，且宜選用風(fēng)作用效應(yīng)較小的平面形狀。比如說(shuō)，雙層圓形簡(jiǎn)中簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，在承受來(lái)自任何方向的風(fēng)力或地震作用時(shí)，所有柱子總的最大內(nèi)力基本相同，從而可以充分發(fā)揮材料性能。還有就是方型塔式簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)，雖然在水平作用下，各柱的內(nèi)力有些差異，但由于縱橫兩個(gè)方向質(zhì)心與重心重合，不產(chǎn)生扭矩，且體型規(guī)整，便于施工。然后就是矩形簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)，當(dāng)承受水平作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)受力還是比較好的。其他如由八角形、三角形等平面組成的體型，對(duì)抗風(fēng)度抗震均較有利，各有其特點(diǎn)可取。3.5高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)籌布局高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)從總體上注意概念設(shè)計(jì)，我們應(yīng)該把重放在結(jié)構(gòu)類型的選取上，還有就是需要確定好結(jié)構(gòu)體系，在進(jìn)行建筑物的抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們應(yīng)該把結(jié)構(gòu)的平面布局做的有規(guī)則一些，我們還要選擇一些抗風(fēng)性能好而且相對(duì)來(lái)說(shuō)比較經(jīng)濟(jì)環(huán)保的結(jié)構(gòu)我們需要特別認(rèn)真對(duì)待的一點(diǎn)是，我們必須要對(duì)構(gòu)造采取有效的加強(qiáng)措施，這樣才能使我們所要設(shè)計(jì)的建筑物和構(gòu)筑物具有良好的抗震性能，以保證我們的建筑物具有可靠性和安全性。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)密不可分，不同的結(jié)構(gòu)體系對(duì)建筑布局均有不同的影響。例如，高層建筑是以電梯作為主要的垂直交通工具，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意如何有效地利用電梯，組織方便、安全而又經(jīng)濟(jì)的公共交通體系。其他如供水、供電、通訊設(shè)備，防火、防煙、疏散、安全措施以及服務(wù)設(shè)施、環(huán)境、廢物處理等等。所有這些，均需要全面考慮與統(tǒng)籌安排，我們還要做好這些措施之間的統(tǒng)一性，我們?cè)谶M(jìn)行新的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)帶來(lái)新的施工工藝和一些材料和方式的創(chuàng)新。在一些層數(shù)比較低的建筑物之中，我們往往會(huì)把這些對(duì)于結(jié)構(gòu)安全不太重要的問(wèn)題給忽視掉。但是這些問(wèn)題在我們的高層建筑物中就顯得極為重要，我們必須要有足夠的重視并采取合理的有效的方法進(jìn)行處理。其中包括工程技術(shù)問(wèn)題、建筑藝術(shù)問(wèn)題、投資經(jīng)濟(jì)效果與社會(huì)效益問(wèn)題，以及對(duì)城市建筑的動(dòng)態(tài)平衡、環(huán)境影響和給人們的心理影響等。綜上所述，高層建筑絕不是建筑層數(shù)的簡(jiǎn)單加高，認(rèn)識(shí)和掌握這些特點(diǎn)，對(duì)進(jìn)行一些層數(shù)比較高進(jìn)行設(shè)計(jì)是特別重要的。3.6防震縫布置震害調(diào)查表明，設(shè)有防震縫的建筑，地震時(shí)由于縫寬不夠，仍難免使相鄰建筑發(fā)生局部碰撞，建筑裝飾也易遭破壞。但防震縫寬度過(guò)大，又給立面處理和抗震構(gòu)造帶來(lái)困難，故多高層鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)房屋，宜選用合理的建筑結(jié)構(gòu)方案而避免設(shè)置防抗震縫。當(dāng)建筑平面突出部分較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)剛度及荷載相差懸殊或房屋有較大錯(cuò)層時(shí)，可設(shè)置防震縫。設(shè)置抗震縫時(shí)，縫的最小寬度應(yīng)符合以下要求。(1)框架結(jié)構(gòu)(包括設(shè)置少置抗震墻的框架結(jié)構(gòu))房屋的防震縫寬度，當(dāng)高度不超過(guò)15m時(shí)不應(yīng)小于100mm;高度超過(guò)15m時(shí)，6度、7度、8度和9度分別每增加高度Sm、4m)3m和2m,宜加寬20mm。[5](2)框架抗震墻結(jié)構(gòu)房屋的防震縫寬度不應(yīng)小于規(guī)定數(shù)值的70%，抗震墻結(jié)構(gòu)房屋的防震縫寬度不應(yīng)小于規(guī)定數(shù)值的50%，且均不宜小行100mm。防震繼兩側(cè)結(jié)構(gòu)類型不同時(shí)，宜按需要較觀防展縫的結(jié)構(gòu)類型和權(quán)低房屋高度確定縫寬，%理、9度柜架結(jié)構(gòu)房屋防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)層高相差較大時(shí)，防很縫兩制根不上共常精物的機(jī)構(gòu)；框架構(gòu)件的內(nèi)力應(yīng)按設(shè)置和不設(shè)置抗準(zhǔn)地兩種計(jì)極型的不利情況取值。4高層建筑結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1鋼結(jié)構(gòu)的定義鋼結(jié)構(gòu)工程是把鋼材當(dāng)做是結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)成材料，在現(xiàn)在的建筑結(jié)構(gòu)類型中占有非常大的比重。我們常常用于建造跨度比較大、內(nèi)部空間比較大的建筑物，比如說(shuō)我們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｒ?jiàn)到的工業(yè)廠房，以及我們經(jīng)常去的火車站，還有倉(cāng)庫(kù)等建筑。4.2鋼結(jié)構(gòu)焊接焊接是最主要的節(jié)點(diǎn)連接方式。常用的焊接方法有手工電弧焊在熔劑下的自動(dòng)或半自動(dòng)埋弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)自動(dòng)或半自動(dòng)焊，以及具有特殊用途的熔化嘴電法焊和拉弧式栓釘焊等。焊縫分全焊透(等強(qiáng)連接)焊縫和部分焊透焊縫兩種，一般柱和柱、主梁和柱接頭間用生強(qiáng)連接焊縫。在單個(gè)構(gòu)件中，傳力較大的接頭用等強(qiáng)連接焊縫,其余構(gòu)件可用部分焊透焊縫。[6]焊接連接的傳力最為充分,不會(huì)滑移。接頭中正確施焊的焊縫將強(qiáng)于母材，有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，且形成剛性的結(jié)構(gòu)。焊接結(jié)構(gòu)有足夠的延性,適宜承受反復(fù)荷載，但由于操作上的原因，焊接連接存在質(zhì)量是否能夠得到保證的問(wèn)題,因此要求對(duì)焊縫進(jìn)行探傷檢查。從力學(xué)上講，焊接連接有殘余應(yīng)力和殘余變形問(wèn)題，對(duì)受壓構(gòu)件局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性都會(huì)有明顯的影響，因此，應(yīng)制訂包括焊接次序在內(nèi)的合理焊接工藝,并規(guī)范焊接接頭的形式，包括坡口角度，根部間隙和鈍邊等。栓焊混合連接是指一個(gè)連接接頭同時(shí)采用高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接和焊接兩種連接形式。該連接施工方便,連接可靠，是工地安裝常用的連接方法，常用于梁柱連接接頭等重要部位?；旌线B接在高層鋼結(jié)構(gòu)工程中多用于主梁和柱的接頭。其中,梁的翼緣和柱用焊縫連接,梁的腹板和柱用高強(qiáng)度螺栓連接。由于這種接頭便于在安裝時(shí)先用螺栓進(jìn)行定位，故在國(guó)內(nèi)外高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中用得較普遍，是-種較好的連接方法。這種節(jié)點(diǎn)在安裝時(shí)，一般先緊固腹板上的高強(qiáng)度螺栓，在終擰完畢后再焊接梁糞緣上的焊縫。采用這種連接方式時(shí),在設(shè)計(jì)中已考慮了焊接時(shí)溫度對(duì)高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力損失的影響。4.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的支撐或墻板經(jīng)常布置在樓電梯周邊的柜架內(nèi)，必須兩個(gè)方向都布置支撐或墻板，使兩個(gè)方向的剛度接近。通常，每列支撐或墻板的寬度為一個(gè)柱距，高度以減少為一層:當(dāng)柱距比較大時(shí)，也可以設(shè)置跨層支撐，即支撐斜桿跨越兩層或兩層以上,跨層支撐可減少支撐斜桿與梁柱連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。中心支撐框架宜采用十字交叉支撐，也可采用人字形支撐或單斜桿支撐，不宜采用K形支撐。對(duì)于地震區(qū)的建筑，規(guī)范規(guī)定不得采用K形支撐,原因是K形支撐的斜桿受壓屈曲或受拉屈服時(shí),將使柱子發(fā)生屈曲甚至發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。4.4鋼結(jié)構(gòu)防火鋼材是一種不燃材料，但耐火性能差。它的力學(xué)性能，如屈服點(diǎn)、彈性模量及抗拉強(qiáng)度，隨著溫度的升高而降低,因而會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度下降、變形加大等問(wèn)題?；馂?zāi)案例和試驗(yàn)結(jié)果表明.高溫對(duì)鋼結(jié)構(gòu)是有影響的。從低碳鋼的試驗(yàn)情況看，溫度在200°C以內(nèi)時(shí)其力學(xué)性能基本不變，溫度在430~540C之間時(shí)強(qiáng)度急劇下降，溫度為600°C時(shí)強(qiáng)度很低而不能承擔(dān)荷載。在火災(zāi)中,沒(méi)有防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在15min內(nèi)溫度就可能超過(guò)600°C。[7]因此，沒(méi)有防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)建筑在發(fā)生火災(zāi)后,很有可能在短時(shí)間內(nèi)因結(jié)構(gòu)承載力下降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不足以承受外部荷載而發(fā)生破壞或倒塌。5新高層建筑結(jié)構(gòu)新一代的高層建筑物不必單單建立在經(jīng)濟(jì)、功能或風(fēng)格的考慮上，那是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)態(tài)度。高層建筑物可能不僅表現(xiàn)協(xié)作的力量，而且表達(dá)豎向發(fā)展的都市生活。換句話說(shuō)，單一用途的建筑物可能被多功能的建筑物所取代，都市的基本內(nèi)涵在這里被延伸到建筑物內(nèi)部。這種設(shè)計(jì)態(tài)度轉(zhuǎn)而可以通過(guò)以下的方式予以闡發(fā):把不同的建筑形狀沿豎向堆疊,或者互相水平連接,或者把一些建筑放在另一些建筑內(nèi)。新的建筑物類型可能有不規(guī)則的外形和需要復(fù)雜支承結(jié)構(gòu)的復(fù)雜空間組織。混合功能的概念可能會(huì)引起對(duì)環(huán)境問(wèn)題和生活質(zhì)量的關(guān)注，這就引人了綠色建筑。在綠色建筑里，節(jié)能、自然采光、自然通風(fēng)變成首要問(wèn)題。內(nèi)部的采光豎井或前庭，連同與外墻連接的水平庭院，都作為給內(nèi)部空間提供通風(fēng)和自然采光的輸送通道。外墻上有可煙節(jié)的洞口，它們可能為了遮陽(yáng)而凹入墻體。由于表面密封.除了透光薄膜或?yàn)V光板之外看不到任何其他東西。在城市豎向發(fā)展的理念之下。[8]作為都市基本架構(gòu)的自然延伸，公眾活動(dòng)的豎向交互作用連同其他一些常常帶有很濃個(gè)人色彩，甚至本質(zhì)上非理性的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，都支持這么一種傾向，既從內(nèi)部來(lái)打破高層建筑的大塊格局(例如，采用多層吹拔的前庭豎向的造景),又從外部與不同的建筑物作豎向、橫向的連接。6結(jié)語(yǔ)我們通過(guò)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的初步了解，我們知道了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，以及學(xué)會(huì)了一些新的方法。我們也認(rèn)識(shí)到，我們的高層建筑還有很長(zhǎng)的路要走。我們要努力學(xué)好文化知識(shí)，并積極實(shí)踐，爭(zhēng)取讓我們高層建筑設(shè)更上一層樓。[1]秦榮，高層與超高層建筑結(jié)構(gòu).[M].北京：科學(xué)出版社，2007.[2]王祖華，蔡健，徐進(jìn).[M].廣州：華南理工出版社，2008.[3]呂西林.高層建筑結(jié)構(gòu)[M].武昌：武漢大學(xué)出版社，2003.[4]吳曉春.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武昌：武漢大學(xué)出版社，2018.[5]沈聚敏，周錫元，高小旺.抗震工程學(xué)[M].北京：地震出版社，1991.[6]李和華.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.[7]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50017—2014，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.[8]羅福午，吳之昕.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.淺談高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：隨著我國(guó)科技經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高層建筑的發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)城市乃至一個(gè)國(guó)家發(fā)展的主要象征，因此對(duì)高層建筑的施工要求也逐漸升高，所以如何提高我國(guó)大型建筑質(zhì)量和安全是人民所關(guān)注的熱點(diǎn)?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)是高層建筑的主要核心組成部分，剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛的應(yīng)用提高了我國(guó)大型建筑的耐壓性、實(shí)用性，使我國(guó)建筑業(yè)取得了的發(fā)展。因此，我們要設(shè)計(jì)一個(gè)良好的剪力墻框架結(jié)構(gòu)，從而提高高層建筑工程的整體質(zhì)量，使我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展更上一層樓。接下來(lái)本文就對(duì)高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，從而提出一些合理化的建議。關(guān)鍵詞：高層建筑；框架剪力墻結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)0引言框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系的兩大組成要素是鋼筋混凝土的框架和剪力墻，其最大的作用就是能夠規(guī)避地震災(zāi)害，因?yàn)榭蚣芗袅τ杉袅脱有钥蚣軆刹糠纸M合而成，而且延性框架的延展性能比普通框架要好。所以這種結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)建筑上的框架結(jié)構(gòu)更加靈活多變，因此框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系如今已被廣泛運(yùn)用在了高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中REF_Ref28555694\r\h[1]。1高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.1框架剪力墻的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)框架剪力墻的結(jié)構(gòu)體系和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，它不是單一的結(jié)構(gòu)形式，而是由兩種不同的結(jié)構(gòu)組合而成。這種結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是在水平外力的作用不一致情況下，框架受到更多的作用力。由于采用延性框架，在側(cè)力產(chǎn)生時(shí)框架會(huì)產(chǎn)生一定的變形，此時(shí)整套結(jié)構(gòu)的形狀很像一把剪刀，這樣結(jié)構(gòu)體系能夠保證隨著樓層的增高，樓層間的相對(duì)位移量不增反減，穩(wěn)定高層建筑的結(jié)構(gòu)；和普通的剛性框架相比，普通的剛性框架的水平位移隨著樓層高度的增加成正比關(guān)系，在樓層很高的建筑中水平位移過(guò)大會(huì)造成建筑物結(jié)構(gòu)的損害。1.2框架剪力墻的抗震性能在高層建筑物的抗震性能體系中，一定要滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)計(jì)理念REF_Ref28555737\r\h[2]。在地震的震級(jí)比較小的時(shí)候，要保證建筑物不會(huì)遭受到明顯的損害，還可以相對(duì)正常地繼續(xù)使用；在地震震級(jí)適中時(shí)，保證建筑物經(jīng)過(guò)一定的修繕還可以回到地震前的使用水平；地震震級(jí)很大的時(shí)候保證建筑物不產(chǎn)生坍塌等嚴(yán)重的危害。同時(shí)由于一般地震對(duì)于建筑物的破壞是多方向性的，所以建筑物的框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置應(yīng)當(dāng)分布在建筑物的四周，抵抗水平荷載，保障結(jié)構(gòu)的承載能力，提升建筑物的抗震性能。2高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)由于建筑當(dāng)中的剪力墻與框架剪力墻結(jié)構(gòu)之間存在差異，因此在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分注重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)。設(shè)計(jì)人員要求能夠在變形狀態(tài)的受力環(huán)境當(dāng)中尋找到一個(gè)符合建筑墻體穩(wěn)定程度的均衡點(diǎn)，以此來(lái)進(jìn)行對(duì)于受力變化的調(diào)整。其中，水平力基于負(fù)載狀況下，框架與剪力墻之間會(huì)進(jìn)行協(xié)同，共同承受負(fù)荷。但是隨著建筑樓層的不斷增加，其在水平方向上的受力情況會(huì)大幅度提高，繼而帶動(dòng)其水平位移的增長(zhǎng)。當(dāng)樓板水平高度達(dá)到臨界值后，框架會(huì)發(fā)生與剪力墻之間的相互融合，從而不會(huì)再出現(xiàn)某一環(huán)節(jié)單獨(dú)變形的問(wèn)題。而當(dāng)框架剪力墻結(jié)構(gòu)處于平移階段時(shí)，二者之間由于受力的協(xié)調(diào)能力遠(yuǎn)低于水平方向受力，會(huì)發(fā)生一定程度的整體變形，這要求設(shè)計(jì)人員需要充分考慮框架本身所具有的內(nèi)收趨勢(shì)，并通過(guò)對(duì)剪切曲線變形加以控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于框架拉剪力的控制。隨著建筑技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)也能夠?qū)⒓夹g(shù)和實(shí)際建筑需求的契合度提升到前所未有的高度，從而使高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠依據(jù)設(shè)計(jì)創(chuàng)新得到全面的提升REF_Ref28555782\r\h[3]。目前的建筑設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，通常要求將抗震設(shè)計(jì)作為主要的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，并且通過(guò)控制墻體長(zhǎng)度和厚度比例的方式進(jìn)行倍數(shù)關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，設(shè)計(jì)當(dāng)中還應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持分散原則，通過(guò)對(duì)于抗側(cè)力構(gòu)件布置方式調(diào)整，使其保持離散狀態(tài)，從而使剪力墻結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到剛度和彎度兩個(gè)方面的要求。3框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及到的幾個(gè)問(wèn)題3.1框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置和數(shù)量3.1.1剪力墻的布置剪力墻的平面布置一般原則是均勻、分散、對(duì)稱、周邊。分散原則是要求剪力墻結(jié)構(gòu)片數(shù)不要太少,而且每片剪力墻剛度不要太大，連續(xù)尺寸不要太長(zhǎng)，使抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量多一些，分散一些，每片剪力墻的彎曲剛度適中，在使用中不會(huì)因?yàn)閭€(gè)別墻的局部破壞而影響整體的抗側(cè)力性能，也不會(huì)使個(gè)別墻的受力太集中，負(fù)擔(dān)過(guò)重而引起過(guò)早地被破壞，剛度過(guò)大的墻承擔(dān)的內(nèi)力也大，相應(yīng)的基礎(chǔ)處理難度增加，同時(shí)也考慮到剪力墻相距太遠(yuǎn)，樓面剛度要求大，很難滿足要求，周邊的原則是考慮建筑物抵抗扭轉(zhuǎn)能力，便于保證剛度中心與平面中心相吻合；剪力墻布置在周邊對(duì)稱位置，增加抵抗扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力臂，在不增加剪力墻面積的情況下，提高抗扭轉(zhuǎn)能力。剪力墻布置的位置應(yīng)設(shè)在平面形狀變化處，平面形狀變化處；角隅、端角、凹角部位往往是應(yīng)力集中處，設(shè)置剪力墻給予加強(qiáng)是很有必要的，在高層建筑的樓梯間，電梯間，管道井處，樓面開(kāi)洞嚴(yán)重地削弱樓板剛度，對(duì)保證框架與剪力墻協(xié)同工作極為不利REF_Ref28555832\r\h[4]。因此,在工程設(shè)計(jì)中用鋼筋混凝土剪力墻來(lái)加強(qiáng)這些薄弱端部，如樓梯間，電梯井道處，豎向管道井等是十分有效的。剪力墻的間距，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋L/B=2-4為宜，裝配整體式鋼筋混凝土樓L/B=1-2.5為宜，原則是建筑物愈高，抗震設(shè)防烈度愈高取值愈小。3.1.2確定剪力墻的厚度在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻宜有邊緣約束構(gòu)件即：邊框柱和邊框梁，在規(guī)范中有規(guī)定，帶邊框剪力墻的截面厚度為：在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一、二級(jí)剪力墻的底部加強(qiáng)部位的厚度均不應(yīng)小于200mm，且不宜小于層高的1／16；對(duì)于其他情況不應(yīng)小于160mm，且不應(yīng)小于層高的1/20。邊框梁的寬度宜與墻同厚，高度可取墻厚的2倍。所以一個(gè)合理的剪力墻厚度具有結(jié)構(gòu)安全(包括在施工中混凝土澆筑時(shí)由于澆筑質(zhì)量不高所造成的隱患等等)、經(jīng)濟(jì)合理(合理的厚度以及鋼筋級(jí)別在設(shè)計(jì)中都應(yīng)有考慮,主要是涉及到最小配筋率的問(wèn)題)等特點(diǎn)。鑒于此,剪力墻的厚度在滿足層高的1/16或者1/20的前提下,取200mm為宜REF_Ref28555886\r\h[5]。在這里應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，一般情況下由于基礎(chǔ)的埋置深度比較大而導(dǎo)致底層的層高比較高，從而也就要求底層剪力墻的厚度比較大。但還應(yīng)該注意到，墻體的厚度對(duì)墻體穩(wěn)定性的影響其重要性是不言而喻的。因此要在保證墻體穩(wěn)定性的前提下，盡量不把層高較高樓層的剪力墻做的太厚。3.1.3剪力墻合理數(shù)量的確定剪力墻的合理數(shù)量按許可位移決定，按高層建筑規(guī)范中一般裝修材料，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移與高之比u/H不宜大于1/700，裝修要求較高時(shí)u/H不宜超過(guò)1/850，在滿足這個(gè)要求的前提下，增減剪力墻的數(shù)量。用結(jié)構(gòu)自振周期校核剪力墻布置數(shù)量是否合理，因?yàn)閺牡卣鹱饔帽旧韥?lái)分析，剪力墻結(jié)構(gòu)剛度小，地震作用小，位移限制能寬松的滿足，但這種結(jié)構(gòu)在工程上有可能不很合理，結(jié)構(gòu)的自振周期有可能不在合理范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)自振周期的合理范圍大致在：T1=(0.09-0.12)NS式中：NS——樓層數(shù)剪力墻數(shù)量多框架剪力墻結(jié)構(gòu)剛度就大一些,地震時(shí)周期短地震力也加大一些,材料耗量增大。日本震害調(diào)查表明：當(dāng)每m2樓面平均剪力墻長(zhǎng)度少于50mm長(zhǎng)時(shí)，震害嚴(yán)重；在50-150mm之間時(shí)，震害中等；長(zhǎng)150mm以上，震害輕微，目前我國(guó)尚無(wú)這方面的成熟經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中可根據(jù)工程具體情況,建筑物高度、地區(qū)設(shè)防烈度及參考上面方法取值REF_Ref28555940\r\h[6]。3.2框架剪力墻結(jié)構(gòu)的非線性反應(yīng)分析鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)烈地震作用下能有效地通過(guò)反復(fù)的非彈性變形耗散地震能量，是一種較好的抗震結(jié)構(gòu)體系。然而目前的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范尚有其不足之處，許多按規(guī)范設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)房屋，仍然遭到不同程度的甚至是達(dá)到失效的嚴(yán)重非結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)破壞。因此鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)的非線性分析受到了重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的相關(guān)研究。3.2.1分析模型多豎向桿單元模型是一種進(jìn)來(lái)國(guó)內(nèi)外研究較多的非線性分析模型，它將墻的軸向變形、彎曲變形用多垂直桿模擬，剪切變形用一個(gè)剪切彈簧模擬。如圖所示的多豎向桿單元分析模型，根據(jù)墻橫截面的應(yīng)力分布狀態(tài)，取五根豎向桿，兩側(cè)向豎向桿單元代表兩邊界柱的軸向剛度，內(nèi)部豎向桿單元代表中間墻板的軸向剛度。墻單元的彎曲剛度由所有豎向桿整體給出。墻體的剪切剛度由圖中的水平彈簧提供。五根豎向桿中的中間豎向桿為剪切拉壓桿，左右兩邊桿為屈服拉壓桿，左右中間桿為開(kāi)裂桿，但它們可能全是彈性桿，也可能只有左右兩邊桿為開(kāi)裂桿，這取決于荷載作用情況。對(duì)于與框架-剪力墻平行的框架梁，即縱向梁構(gòu)件采用帶非線性轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧的線彈性彈簧梁?jiǎn)卧M。對(duì)于柱單元?jiǎng)t假定其只發(fā)生非彈性彎曲變性而不發(fā)生非彈性軸向變形。對(duì)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的橫向梁兩端承受著不同的豎向位移，并且由于節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)和兩節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)量的不同，橫向梁還承受扭轉(zhuǎn)。因此可采用豎向和轉(zhuǎn)動(dòng)彈性彈簧來(lái)模擬這種效應(yīng)REF_Ref28555984\r\h[7]。模型中指定相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于墻構(gòu)件中心軸上高度ch點(diǎn)處，認(rèn)為參數(shù)c的合適值可基于沿層間高度預(yù)期的曲率分布選取，計(jì)算中一般取c=0.4。試驗(yàn)分析表明，多豎向單元模型考慮了墻截面中性軸的移動(dòng)，可預(yù)測(cè)墻的彎曲反應(yīng)，是一種適合于多層鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的非線性分析的擬三維模型。3.2.2基于自平衡力的動(dòng)力分析方法基于自平衡力的動(dòng)力分析理論的基本思想是；當(dāng)某一時(shí)刻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一個(gè)或幾個(gè)臨界界面達(dá)到塑性彎曲承載力時(shí)，便認(rèn)為達(dá)到了彈性極限而形成了塑性鉸。塑性鉸的形成改變了整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，將塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)作為外荷載加到原結(jié)構(gòu)上，計(jì)算塑性鉸處抵抗塑性轉(zhuǎn)動(dòng)(引起的應(yīng)力重分布)的自平衡應(yīng)力分布。通過(guò)這樣的處理，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)前的狀態(tài)，避免修正結(jié)構(gòu)剛度矩陣和對(duì)剛度矩陣求逆，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算。3.2.3基于自平衡力的框架剪力墻擬三維非線性地展反應(yīng)分析通過(guò)將基于自平衡力的框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析程序結(jié)合起來(lái)，得到框架剪力墻結(jié)構(gòu)的二維非線性地震反應(yīng)分析程序，然后在二維分析模型上加上橫向梁的空間約束作用，便可以得到基于自平衡力的框架剪力墻結(jié)構(gòu)的擬三維非線性地震反應(yīng)分析。這種分析方法有效、可靠，能以簡(jiǎn)單的方式考慮鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)的重要空間結(jié)構(gòu)。4框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化4.1剪力墻位置與數(shù)量框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻作為側(cè)向剛度的主要承擔(dān)者，應(yīng)多方位的考慮槍神的布置情況以保證建筑的安全使用。具體設(shè)計(jì)措施如下：4.1.1剪力墻的位置設(shè)計(jì)應(yīng)在主軸上雙向均勻布置，只在一個(gè)主軸設(shè)計(jì)容易造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，不利于抗震；位置設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮地震作用力，均勻布置剪力墻。剪力墻的具體位置一般設(shè)計(jì)在主體結(jié)構(gòu)的外圍及周邊，以充分利用陽(yáng)臺(tái)、窗口的高連梁來(lái)加強(qiáng)側(cè)向剛度，避免剪力墻的濫用。設(shè)計(jì)時(shí)多長(zhǎng)墻少短墻且軸壓應(yīng)相近，從而保證在位置上應(yīng)擴(kuò)大空間，不在較小的空間設(shè)計(jì)較多剪力墻；剪力墻的長(zhǎng)度則要在合理范圍內(nèi)盡可能長(zhǎng)且長(zhǎng)度應(yīng)盡