1、高层建筑 学 生： 张吉 指导老师： 杨震 台州学院机电与建筑工程学院 摘要： 本文主要对于 不需要增加太多成本的前提下增强建筑物抵抗侧向荷载的能力 的一些原理的应用做介绍。 关键词： 高层建筑、荷载、剪力墙结构、框架结构 前沿 高层建筑的定义很难确定。可以说 2-3 层的建筑物为底层建筑，而从 3-4 层地 10 层或 20 层的建筑物为中层建筑，高层建筑至少为 10 层或者更多。 尽管在原理上，高层建筑的竖向和水平构件的设计同低层及多层建筑的设计没什么区别，但使竖向构件的设计成为高层设计有两个控制性的因 素：首先，高层建筑需要较大的柱体、墙体和井筒；更重要的是侧向里所产生的倾覆力矩和剪力变
2、形要大的多，必要谨慎设计来保证。 高层建筑的竖向构件从上到下逐层对累积的重力和荷载进行传递，这就要有较大尺寸的墙体或者柱体来进行承载。同时，这些构件还要将风荷载及地震荷载等侧向荷载传给基础。但是，侧向荷载的分布不同于竖向荷载，它们是非线性的，并且沿着建筑物高度的增加而迅速地增加。例如，在其他条件都相同时，风荷载在建筑物底部引起的倾覆力矩随建筑物高度近似地成平方规律变化，而在顶部的侧向位移与其高度的四次方成正比。地震荷载的效 应更为明显。 对于低层和多层建筑物设计只需考虑恒荷载和部分动荷载时，建筑物的柱、墙、楼梯或电梯等就自然能承受大部分水平力。所考虑的问题主要是抗剪问题。对于现代的钢架系统支撑
3、设计，如无特殊承载需要，无需加大柱和梁的尺寸，而通过增加板就可以实现。 不幸的是，对于高层建筑首先要解决的不仅仅是抗剪问题，还有抵抗力矩和抵抗变形问题。高层建筑中的柱、梁、墙及板等经常需要采用特殊的结构布置和特殊的材料，以抵抗相当高的侧向荷载以及变形。 如前所述，在高层建筑中每平方英尺建筑面积结构材料的用量要高于低层建筑。支撑重力荷载的竖 向构件，如墙、柱及井筒，在沿建筑物整个高度方向上都应予以加强。用于抵抗侧向荷载的材料要求更多。 对于钢筋混凝土建筑，虽着建筑物层数的增加，对材料的要求也随着增加。应当注意的是，因混凝土材料的质量增加而带来的建筑物自重增加，要比钢结构增加得多，而为抵抗风荷载的
4、能力而增加的材料用量却不是呢么多，因为混凝土自身的重量可以抵抗倾覆力矩。不过不利的一面是混凝土建筑自重的增加，将会加大抗震设计的难度。在地震荷载作用下，顶部质量的增加将会使侧向荷载剧增。 无论对于混凝土结构设计，还是对于钢结构设计，下面这些基本的原则都有 助于在不需要增加太多成本的前提下增强建筑物抵抗侧向荷载的能力。 1.增加抗弯构件的有效宽度。由于当其他条件不变时能够直接减小扭矩，并以宽度增量的三次幂形式减小变形，因此这一措施非常有效。但是必须保证加宽后的竖向承重构件非常有效地连接。 2.在设计构件时，尽可能有效地使其加强相互作用力。例如，可以采用具有有效应力状态的弦杆和桁架体系；也可在墙的
5、关键位置加置钢筋；以及最优化钢架的刚度比等措施。 3.增加最有效的抗弯构件的截面。例如，增加较低层柱以及连接大梁的翼缘截面，将可直接减少侧向位移和增加抗弯能力，而不会加 大上层楼面的质量，否则，地震问题将更加严重。 4.通过设计使大部分竖向荷载，直接作用于主要的抗弯构件。这样通过预压主要的抗倾覆构件，可以使建筑物在倾覆拉力的作用下保持稳定。 5.通过合理地放置实心墙体及在竖向构件中使用斜撑构件，可以有效地抵抗每层的局部剪力。但仅仅通过竖向构件进行抗剪是不经济的，因为使柱及梁有足够的抗弯能力，比用墙或斜撑需要更多材料和施工工作量。 6.每层应加设充足的水平隔板。这样就会使各种抗力构件更好地在一起
6、工作，而不是单独工作。 7.在中间转换层通过大型竖向和水平构件及重楼板形成大框架， 或者采用深梁体系。 应当注意的是，所有高层建筑的本质都是地面支撑的悬臂结构。如何合理地运用上面所提到的原则，就可以利用合理地布置墙体、核心筒、框架、筒式结构和其他竖向结构分体系，使建筑物取得足够的水平承载力和刚度。本文后面将对这些原理的应用做介绍。 剪力墙结构 在能够满足其他功能需求时，高层建筑中采用剪力墙可以经济地进行高层建筑的抗侧向荷载设计。例如，住宅楼需要很多隔墙，如果这些隔墙都设计为实例的，那么他们可以起到剪力墙的作用，既能抵抗侧向荷载，又能承受竖向荷载。对于 20 层以上的建筑物，剪力墙极为常见。如果
7、 给与足够的宽度，剪力墙能够有效地抵抗 30-40 层甚至更多的侧向荷载。 但是，剪力墙只能抵抗平行于墙平面的荷载（也就是说不能抵抗垂直于墙的荷载）。因此有必要经常在两个相互垂直的方向设置剪力墙，或者在尽可能多的方向布置，以用来抵抗各个方向的侧向荷载。并且，墙体设计还应考虑扭转的问题。 在设计过程中，两片或者更多的剪力墙会布置成 L 型或者槽形。实际上，四片内剪力墙可以被联结成矩形，以更有效地抵抗侧向荷载。如果所有外部剪力墙都连接起来，整个建筑物就像是一个筒体，将会具有很强的抵抗水平荷载和抵抗扭矩的能力。 通常混凝土 就剪力墙都是实体的，并在有要求时开洞，而钢筋剪力墙常常是做成桁架式。这些桁架
8、上可能布置成蛋单斜撑、 X 斜撑及 K 斜撑。在侧向力作用下这些桁架的组合构件受到或拉或压力。从强度和变形控制角度来说，桁架有着很好的功效，并且管道可以在构件之间穿过。当然，钢桁架墙的斜向构件在墙体上要正确放置，以免妨碍开窗、循环以及管道穿墙。 如上所述，电梯强、楼梯间及设备竖井都可以形成筒状体，常常用它们既抵抗竖向荷载又抵抗水平荷载。这些筒的横断面一般驶矩形或圆形，由于筒结构作用，筒状结构能够有效地进行各个方向上的抗弯和抗剪。不过在这样的 结构设计中存在的问题是，如何保证在门洞口和其他孔洞的强度。对于钢筋混凝土结构，通过使用特殊的钢筋配置在这些孔洞的周围。对于钢剪力墙，则要求在开洞处加强节点
9、连接，以抵抗洞口变形。 对于很多高层建筑，如果墙体和筒架进行合理地安排与连接，会起到很好的抵抗侧向荷载的作用。还要求由这些结构分体系提供的刚度在各个方向上应大体对称。 框架结构 在建筑物结构设计中，用于抵抗竖向和水平荷载的框架结构，常作为一个重要且标准的型式而被采用。它适用于低层、多层建筑物，亦可用于 70-100 层高的高层建筑物。同剪力墙结构相比，这种结构 更适合在建筑物的内部或者外围的墙体上开设矩形孔洞。同时它还能充分利用建筑物内在任何情况下都要采用的梁和柱的刚度，但当柱子与梁刚性连接时，通过框架受弯来抵抗水平和竖向荷载会使这些柱子的承载能力变得更大。 大多情况下，框架的刚度不如剪力墙，
10、因此对于细长的建筑物将会出现过度变形。但正是因为其柔性，使得其与剪力墙结构相比具有更大的延性，因而地震荷载下不易发生事故。例如，如果框架局部出现超应力时，那么其延性就会允许整个结构出现倒塌事故。因此，框架结构常被视为最好的高层抗震结构。另一方面，设计得好的剪力墙结构也不可能倒 塌。 对于混凝土框架结构，还存在较大的分歧。的确。如果在混凝土框架设计时不进行特殊的延性设计，那么他将很难承受比设计标准值大很多倍的地震荷载的冲击。因此，很多人认为它不具备钢框架所具备的超载能力。不过最新的研究 i 和实验表明，当混凝土中放入充分的钢箍和节点钢筋时 ，混凝土框架框架也能表现出很好的延性。新建筑规范对所谓延性混凝土框架有专门的规定。然而，这些规范往
