关于高层建筑结构设计的几个问题探讨

摘要：本文提出了剪力墙设计的几个问题，以及高层建筑结构分析和各种体系相对应的方法。

关键词：高层建筑 结构体系 剪力墙设计

1 引言

在剪力墙、框架—剪力墙和框架筒体结构体系中,连接墙肢与墙肢、墙肢与框架柱的梁称为连梁。连梁一般具有跨度小，截面高，与连梁相连的墙体刚度大等特点。因此，高层建筑在水平力作用下，连梁的内力往往很大。设计时，即使采取了降低连梁内力的各种措施，如：加大剪力墙的洞口宽度;在连梁中部开水平缝，在计算内力和位移时对连梁刚度进行折减，对局部内力过大层的连梁内力进行调整等，仍无法使连梁的截面设计符合要求。由于设计规范对此没有明确规定，因此，设计时感到无所适丛。而设计、构造不当将会造成结构在抵抗水平力时的强度、刚度不符合要求，进而影响承受竖向荷载的能力。

2 连梁

在实际工程中, 连梁的跨高比和截面尺寸受到许多因素的影响, 跨高比小于2.5甚至更小。这类连梁在水平地震力作用下，往往出现承载大超限的情况, 且首先是抗剪承载力的超限, 这类连梁的设计首先是要能满足强剪弱弯。如果结构只有少数连梁承载超限, 当这些连梁出现屈服并形成塑性佼时, 就会有部分弯矩转移到墙肢, 一般情况下, 墙肢的强度应能承受这些增加的弯矩，但是如果沿墙身有较多的连梁超限而屈服时, 墙肢就会增加较大的弯矩, 这时就应当考虑对结构进行修改, 重新进行结构的整体计算, 修改的方法有以下几种：

1)对连梁刚度进行折减

在水平荷载作用下, 连梁屈服表现为梁端出现裂缝、刚度削弱、内力重分布, 进行结构整体计算时,需对连梁刚度进行折减。根据《高规》第4.1.7条规定：折减系数不应小于0.55

2)增加洞口宽度

增加洞口宽度亦即增加连梁跨度, 同时也减小墙肢长度, 其目的是减小连梁刚度, 同时也减小了结构的整体刚度, 这就减小了地震作用, 使连梁的承载力有可能不超限。

􀀁 3)减少连梁高度

在满足结构位移限值前提下, 适当减少连梁高度可减少连梁刚度, 使连梁承受的弯矩、剪力减小。有时减少连梁高度和增大墙厚双管齐下, 使梁相对刚度减小更快。

4)提高混凝土强度等级

混凝土强度等级提高后, 其弹性模量随之增加,因此结构的地震作用也会增加, 但结梅的地震作用增加的比例远小于混凝土承载能力的提高, 因此也有可能使连梁的承载力不再超限。上述各种措施中, 首先必须进行刚度折减, 如仍超限可结合采用其余各种措施。

3 高层建筑结构分析

3.1弹性假定

目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的，应按弹塑性动力分析方法进行设计。

3.2小变形假定

小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题(P-Δ效应)进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移Δ与建筑物高度H的比值Δ/H>1/500时，P-Δ效应的影响就不能忽视了。

3.3刚性楼板假定

许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显，可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

3.4计算图形的假定

高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有三种：

(1)一维协同分析。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。在水平力作用下，将结构体系简化为由平行水平力方向上的各榀抗侧力构件组成的平面结构。根据刚性楼板假定，同一楼面标高处各榀抗侧力构件的侧移相等，由此即可建立一维协同的基本方程。在扭矩作用下，则根据同层楼板上各抗侧力构件转角相等的条件建立基本方程。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。

(2)二维协同分析。二维协同分析虽然仍将单榀抗侧力构件视为平面结构，但考虑了同层楼板上各榀抗侧力构件在楼面内的变形协调。纵横两方向的抗侧力构件共同工作，扭矩与水平力同时计算。

(3)三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调(竖向位移和转角的协调)，而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的筒体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉索夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。

4 剪力墙设计中的基本概念

4.1剪力墙高和宽尺寸较大但厚度较小，几何特征像板，受力形态接近于柱，而与柱的区别主要是其长度与厚度的比值，当比值小于或等于4时可按柱设计，当墙肢长与肢宽之比略大于4或略小于4时可视为为异形柱，按双向受压构件设计。

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