論高層結構的水平位移控制

摘要：高層建筑的受力特征表現為水平荷載組合起控制作用，即通常所說的地震作用或風荷載組合起控制作用。在承載能力極限狀態下，建筑結構以構件強度破壞或者失穩為判斷標準，而正常使用極限狀態下，建筑結構或其構件變形超過規定值為控制標準，而本文探討的正是正常極限狀態下高層建筑水平位移及位移比的控制要求。

關鍵詞：高層；位移控制；位移比控制

《民用建筑設計通則》（GB 50352—2005）、《高層民用建筑設計防火規范》（GB 50045-95）將10層及10層以上的住宅建筑和高度超過24m的公共建筑和綜合性建筑劃稱為高層建筑。

一、高層建筑位移控制的必要性

高層建筑在水平地震作用或者風荷載作用下，將產生水平位移和振動。當水平位移、振動頻率及振動周期超過舒適度極限值時，人作為建筑物的使用主體表現的不安和恐慌。盡管判斷舒適度的標準有多種，但目前采用最多的是建筑的最大加速度，風荷載或地震作用的加速度越大，舒適度越低。根據振動舒適度的煩惱率設計理論研究以及統計分析知，人所受的加速度是有限的，常人在3g的加速度條件下就會產生嚴重的頭暈惡心嘔吐癥狀，在5g條件下心腦血管會嚴重受損有生命危險。基于這一舒適度要求，得出對應的加速度和對應的高層最大位移控制要求、最大層間位移比要求和周期比限制。

《混凝土結構設計規范》GB 50010-2010》5.4.1-5.4.2規定，高層建筑在質量或者剛度偏心情況下，應考慮P-Δ效應。P-Δ效應又稱為重力二階效應是指由于結構的水平變形而引起的重力附加效應，可稱之為重力二階效應，結構在水平力（風荷載或水平地震力）作用下發生發生水平位移，水平位移與重力荷載乘積為傾覆力矩，傾覆力矩越大，水平位移越大，重力二階效應越顯著。當結構水平位移超過層間位移角限值時，結構可能因重力二階效應而發生承載能力界限狀態下的強度和失穩破壞。當結構發生水平位移時，建筑物質量中心和剛度中心不重合，若本身自帶偏心，此時P-Δ效應加劇。加劇的P-Δ效應又使得位移增大，而增大的位移又使得P-Δ效應加劇，兩者形成惡性循環，可能達到建筑物的承載能力極限狀態從而導致強度破壞或者失穩。

二、高層建筑水平位移控制標準及計算原理

在水平荷載作用下，高層建筑應對最大位移進行控制。多高層建筑結構應具有必要的剛度，在正常使用條件下限制建筑結構層間位移的主要目的有兩個：首先保證結構主體構件如剪力墻、柱、梁板、基礎裂縫控制在規范強制性限值內，抗震設防烈度下或者設計風荷載作用下破壞程度為小修或者不修。第二，保證非結構構件（如門窗、填充墻、玻璃幕墻、局部裝飾構件等）在抗震設防烈度下或者設計風荷載作用下破壞可修。

《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ-2010和《建筑抗震設計規范》GB50011-2010均規定，各類結構多遇地震作用標準值產生的樓層內最大的彈性層間位移Δue應不大于彈性層間位移角限值與計算樓層層高之乘積[θe]h，彈性層間位移角限值[θe]見下表。

第i層的Δu/h指第i層和第i-1層在樓層平面各處位移差Δu不扣除整體彎曲變形。由于多高層建筑結構在水平力（水平地震作用或風荷載）作用下幾乎都會產生扭轉，所以Δu的最大值一般在結構單元的邊角部位。

高層建筑結構的水平地震作用下最大位移，應在單向水平地震作用時不考慮偶然偏心的影響，采用考慮扭轉藕聯振動影響的振型分解反應譜法進行計算，并應采用剛性樓板假定。

風荷載作用下，荷載分布呈倒三角形。風荷載具有靜力和動力作用的雙重特點，其靜力部分稱為穩定風，動力部分稱為脈動風。脈動風的作用會引起高層建筑的振動（簡稱風振）這在高層建筑結構抗風設計中必須加以考慮的。風載的大小的影響因素：主要和近地風的性質、風速、風向有關；和該建筑物所在地的地貌及周圍環境有關；同時和建筑物本身的高度、形狀以及表面狀況有關。

地震作用下，建筑變形以剪切變形為主（如多層框架結構）時，水平地震作用計算近似采用底部剪力法。此時每層樓集中看作一個質點，地震作用按質點分配。以彎曲和剪切變形為主的結構，應采用振型分解反應譜法或者彈性時程分析法計算，此時建筑物每個樓層質點的未知量變為x，y，z三個，三者應進行振型分解組合，或輸入地震動曲線進行動力時程分析。

三、影響高層建筑最大位移的因素

1.建筑平面布局的規則性。建筑平面布置越規則，質量中心與剛度中心越靠近甚至重合，水平荷載作用下，偏心矩越小，傾覆力矩越大，水平位移越大。建筑平面不規則包括平面布局不規則和剛度分布不規則，建筑平面不宜有較大開洞，開洞率應控制在一定范圍內。

2.樓層高度。高層建筑物風荷載組合通常起控制作用。風荷載的豎向分布呈倒三角形風荷載標準值隨著樓層的高度增加而增大，樓層越高，風荷載標準值越大。樓層越高，風荷載產生的晃動和水平位移越大，故應控制建筑總高，若總高超過規范要求，應采取風洞試驗和抗風防風設計。

3.結構形式。高層建筑結構形式有框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構、框架核心筒結構、框支剪力墻結構、筒中筒結構等形式。結構越柔，位移越大，結構越剛，位移越小。如：相同建筑總高情況下，框架結構位移大于剪力墻結構。隨著建筑物總高的增加，應增加剪力墻截面和數量，超高層結構宜選擇筒中筒結構。

4.地震作用大小。地震作用分為水平地震作用和豎向地震作用，豎向地震作用通常在長懸臂構件或者高烈度地區參與內力組合，且豎向地震產生的位移為豎向位移。大多數情況僅需考慮水平地震作用組合即可滿足設計要求。水平地震作用產生水平位移，震源越淺，震中距越小，地震作用越大，產生的位移越大。所以，水平地震作用下的高層建筑最大水平位移大小抗震設防烈度有關。

綜上所述，控制高層建筑水平位移的大小，同一地區抗震設防烈度相同的情況下，應謹慎選擇樓層總高和結構形式，建筑平面宜對稱規則，減少偏心。若應建筑設計需求不能達到上述要求時，應采取措施保證結構位移值控制在規范強制性規定值范圍內，以滿足正常使用極限狀態下人對建筑物舒適度的要求。

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作者簡介：肖曉芳，女，工學學士，助教，國家二級注冊結構工程師，2006年畢業于廣西工學院（現廣西科技大學）土木工程專業，現就職于重慶應用技術職業學院建筑工程系。