高層建筑在水平力作用下結構抗扭設計探析

張浩浩 楊姝姮

摘 要：該文簡單介紹了高層建筑結構設計特點，針對高層建筑在水平力作用下結構抗扭設計展開了深入的研究分析，提出了一些建議，希望可以對高層建筑結構抗扭設計起到一定的參考和幫助。

關鍵詞：高層建筑；水平力作用；結構抗扭設計

中圖分類號：TU97 文獻標志碼：A

當前高層建筑在我國得到了極大的發展和推廣，不管是建設數量還是建筑規模都有明顯增大，高層建筑與多層建筑不同，其水平力十分關鍵，必須要對軸向變形有足夠重視。高層建筑結構設計過程中，需要保持建筑物平面盡量規則對稱。結構體系的選擇需要與建筑物高度和其他方面的要求相結合，同時在結構設計過程中還需要提高抗側力體系布置的合理性。高層建筑結構設計中，如果平面不規則將非常容易增大扭轉效應以及結構水平位移。通過結構抗扭設計，實現對結構體系的調整和分析，保證其滿足建筑設計要求，該文就此展開了研究分析。

1 高層建筑結構設計特點

鋼筋混凝土以及鋼在高層建筑建設中占有非常重要的比重，其種類、型號等多種多樣。不同地區、不同條件下，高層建筑施工必須要做好施工材料的選擇，充分發揮出建筑材料的優勢，提高高層建筑建設經濟合理性。

1.1 水平荷載有決定性作用

建筑結構不僅需要承擔豎向荷載作用，同時還需要承擔水平荷載作用。低層建筑結構方案、材料、成本等由豎向荷載確定，高層建筑豎向荷載對結構設計同樣有重要影響，但是隨著房屋高度寬度比的增大，水平荷載會產生非常大的側向位移和內力，對建筑結構方案、造價和材料用量等影響更大。

1.2 重視軸向變形

低層建筑結構中僅進行彎矩項考慮，軸力項對整個建筑的影響非常小，不需要過多地考慮剪切項。高層建筑結構中，受到建筑高度、層高等因素的影響，會存在非常大的軸力值，同時因為順著高度方向存在非常明顯的軸向變形積累，隨著軸向變形的增大，對高層建筑內力值以及分布會有非常大影響。

1.3 控制側移

高層建筑結構設計中十分注重結構側移的控制，樓層高度增加過程中，受到水平荷載作用，結構側向變形會迅速增加。高層結構的設計不僅要保證其有足夠強度，同時還能夠承受來自風荷載作用所產生的內力。建筑結構抗推剛度滿足要求，實現在水平荷載作用下對結構側移的有效控制。

1.4 結構延性設計

高層建筑受到地震作用會出現較大的變形，為了保證高層建筑在塑性變形階段有非常好的變形能力，不會發生倒塌等事故，就必須要從構造方面出發，采取針對性的設計措施，做好建筑結構延性設計，使建筑結構延性滿足要求。

1.5 高層建筑結構類型

高層建筑結構類型包括鋼結構、鋼筋混凝土結構、鋼和鋼筋混凝土結構等。1）鋼結構。鋼結構具有韌性大、強度高等特點，應用在高層建筑中，結構斷面小，有著非常好的抗震性能，同時容易在工廠加工，工程項目建設工期會有明顯縮短。但是在高層建筑施工中的鋼結構會用到很多鋼材，很大程度上提高了工程項目施工成本，另外，鋼的耐火性相對較差，如果大范圍涂刷防火材料，工期和造價會明顯增加；2）鋼筋混凝土結構。這種結構建設成本低，在復雜斷面形狀以及不同結構體系中有非常廣泛的應用，鋼材用量小，抗震性能優良，當前鋼筋混凝土結構在高層建筑中有著非常廣泛的應用，鋼筋混凝土結構有著構件截面大、自重大等不足，其工程造價低于鋼結構，同時有良好的耐火性，能夠實現對側移的有效控制，當前鋼筋混凝土高層建筑數量越來越多；3）鋼和鋼筋混凝土結構。將鋼結構與鋼筋混凝土結構相互結合，能夠取長補短，在提高技術性能的同時滿足經濟合理性，當前鋼與鋼筋混凝土結構的組合有兩種不同方式，第一種是利用鋼材對鋼筋混凝土構件進行加強，在構件內部埋設鋼材，外部使用混凝土澆筑，同時還可以將混凝土填充在鋼管內部，不僅可以減少結構斷面，提高建筑抗震性能，同時還具有良好的剛度和耐火性，在地下室和底部幾層有著非常廣泛的應用，第二種是將鋼結構應用在部分抗側力結構中，另外結構使用鋼筋混凝土結構，這種結構也叫作混合結構，多選擇鋼筋混凝土做剪力墻，框架-剪力墻結構如圖1所示。

2 高層建筑在水平力作用下結構抗扭設計

2.1 抗側力構件平面布置

鋼-混凝土結構高層建筑的動力特性很大程度上受到抗側力構件平面布置的影響，為了使各個構件均勻，有足夠承載力實現對水平荷載的有效抵抗，可以將抗側力構件順著縱橫方向進行布置，抗側力構件平面布置需要遵循以下幾個方面原則：第一，針對抗推剛度較大芯筒，比如墻筒、框筒等，需要按照對稱或者居中方式布置；第二，抗側力構件的布置還需要保證樓層水平剪力以及抗推剛度中心合力相重合，實現對結構扭轉振動問題的有效抵抗；第三，保持建筑進深、開間等相一致，方便構件的制作和安裝；第四，如果鋼筋混凝土墻板受剪承載力較大，還需要盡量將其從樓層平面中心向著樓層平面周邊移動，使整個結構有足夠的抗扭轉和抗傾覆能力；第五，柱網尺寸和構件布置需要控制鋼柱截面尺寸適宜，構件截面鋼板厚度控制在100 mm以內，隨著鋼板厚度增加，焊接難度會有明顯提升，同時焊接完成后容易出現層狀撕裂，焊接質量很難得到保證。

2.2 抗側力構件的立面布置

高層構件抗側力構件立面布置需要遵循以下幾個方面原則：第一，順著高度方向保持抗側力構件連續，同時在一條豎直線；第二，各抗側力構件所承載的樓層質量在高度方向不存在有明顯變化；第三，自上而下，逐漸增加各抗側力構件抗推剛度和承載力，同時構件所承擔的軸力、水平剪力等也會相應增大。當前很多地區的高層建筑都在向著多功能方向發展，同一大樓集中多種不同使用功能，大樓的經濟效益和社會效益會明顯提高。因為大樓在使用功能方面的不同，對樓面使用空間的要求也存在明顯的差異性，出現有豎向不規則結構，針對這一情況，在計算結構抗震作用效應時，需要綜合不同影響因素分析考慮，同時考慮結構彈塑性時程，適當采取提高柔弱樓層結構延性的策略，使高層建筑的變形能力得到優化和提升。

3 結語

高層建筑結構的抗扭設計十分重要，其直接關系到建筑使用安全性和建筑建設質量。高層建筑在水平力作用下的結構抗扭設計過程中，需要結合高層建筑實際情況，做好抗側力構件平面布置以及抗側力構件的立面布置，取得理想的建設效果。

參考文獻

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