抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系選擇

1、1 1 概述對(duì)高層建筑而言，水平荷載往往是結(jié)構(gòu)體系與構(gòu)件設(shè)計(jì)的控制因素。而處于抗震設(shè)防高烈度地區(qū)的建筑，地震荷載將起到?jīng)Q定性作用。合理的抗側(cè)力體系的選取，不僅能確保結(jié)構(gòu)滿足 正常使用和承載力極限狀態(tài) 的剛度、強(qiáng)度以及延性要求，還能較好地發(fā)揮材料的性能，加快施工進(jìn)程，取得良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此，在高層和超高層建筑的設(shè)計(jì)中，抗側(cè)力體系的選取至關(guān)重要。2 2 抗側(cè)力體系分類目前較為常用的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形式主要有：抗彎框架、中心支撐框架、偏心支撐框架、防屈曲支撐框架、鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻以及以上各種形式的組合等。抗彎框架結(jié)構(gòu)體系通過(guò)梁、柱節(jié)點(diǎn)的剛接來(lái)提供側(cè)向剛度和水平承載力，抗側(cè)力能力相對(duì)較 弱，在

2、水平荷載作用下，側(cè)向變形較大，因而適用高度受到限制。如果在框架體系中的某一跨或某幾跨之間，增設(shè)斜向支撐桿件，就形成了框架梁、框架柱和斜撐等共同組成的支撐框架結(jié)構(gòu)體系。支撐框架體系的主要優(yōu)點(diǎn)是把水平力轉(zhuǎn)化為軸向力，然后由斜撐來(lái)承擔(dān)，提高了材料的利用效率。根據(jù)支撐桿件設(shè)置方式的不同，支撐框架體系又可分為中心支撐框架和偏心支撐框架。其中中心支撐框架是指支撐斜桿與框架橫梁及柱匯交于一點(diǎn)，而無(wú)偏心。中心支撐構(gòu)造簡(jiǎn)單，具有較大的側(cè)向剛度。但中心支撐存在受壓時(shí)的屈曲問(wèn)題，尤其在往復(fù)的水平地震作用下，支撐構(gòu)件反復(fù)受壓屈曲后剛度和承載力急劇下降，由此造成結(jié)構(gòu)的延性較差。中心支撐體系一般用于非地震區(qū)或地震區(qū)高度不

3、超過(guò) 1212 層的建 筑中。偏心支撐框架是指支撐桿件至少有一端與框架梁相連，并且偏離梁柱軸線交點(diǎn)一定距離，形成耗能梁段(Shear-link)(Shear-link)。這樣的處理方法，相當(dāng)于人為地設(shè)置薄弱環(huán)節(jié)，在大震作用下，允許這些預(yù)先設(shè)置的耗能梁段的受剪屈服先于支撐斜桿的屈曲，并通過(guò)耗能梁段的非彈性變形消耗輸入的能量，以達(dá)到防倒塌的目的。偏心支撐框架結(jié)構(gòu)體系是地震區(qū)應(yīng)用較為普遍的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形式，但主要缺陷表現(xiàn)在地震作用下，耗能梁段會(huì)發(fā)生很嚴(yán)重的塑性變形，再加上梁本身也承擔(dān)部分豎向荷載，震后修復(fù)工作難度較大。防屈曲支撐框架也是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型抗側(cè)體系。它區(qū)別于普通支撐的最大特點(diǎn)就是通過(guò)外

4、部的鋼套筒和內(nèi)填混凝土有效限制了支撐桿件的受壓屈曲，使得核心單元無(wú)論受拉還是 受壓都能夠達(dá)到全截面屈服。國(guó)內(nèi)外的研究成果表明，對(duì)相同截面面積的普通支撐和防屈曲支撐，后者在壓力作用下屈曲可以得到有效抑制，滯回曲線拉、壓對(duì)稱并且呈飽滿的梭形。較之普通支撐，防屈曲支撐在往復(fù)荷載作用下具有更好的耗能能力。目前該結(jié)構(gòu)體系在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有所應(yīng)用，我國(guó)修訂中的高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程也將增加防屈曲支撐鋼框架的相關(guān)條文。防屈曲支撐框架的主要不足在于構(gòu)件加工難度大，造 價(jià)高；并且支撐的布置受到建筑立面的制約。鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用。它與鋼框架構(gòu)成的雙重抗側(cè)力體系目前仍然建筑的主要

5、結(jié)構(gòu)形式。由于鋼筋混凝土核心筒與鋼框架剛度的嚴(yán)重不匹配，使人們對(duì)其在地震高烈度地區(qū)的應(yīng)用產(chǎn)生較大的疑慮。 并且，鋼筋混凝土墻體較大的自重和占用面積，也促使科研人員和工程技術(shù)人員去尋求更為理想的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于高層和超高層建筑，理想的抗震結(jié)構(gòu)體系首要的設(shè)計(jì)理念應(yīng)該具有多道防線，并且承受豎向荷載的構(gòu)件不應(yīng)先于主要抗側(cè)力構(gòu)件破壞。其次，還應(yīng)該盡可能充分發(fā)揮各類構(gòu)件的作用，具體來(lái)說(shuō)就是承擔(dān)附加彎矩和豎向力的構(gòu)件應(yīng)盡可能布置在建筑的外圍，以此來(lái)提高抗彎效率；而主要承擔(dān)剪力的構(gòu)件根據(jù)建筑功能分區(qū)，則主要布置在靠近中間的核心筒位置。事實(shí)上，如果把整個(gè)建筑看成是一個(gè)底部固定的懸臂組合梁，則外圍框架相當(dāng)于翼緣，內(nèi)

6、部剪力墻相當(dāng)于腹板。兩類構(gòu)件各取所長(zhǎng)，相得益彰，就能夠達(dá)到理想的抗側(cè)力效果并取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。按照上述理念設(shè)計(jì)出來(lái)的超高層建筑，有當(dāng)今世界第一建筑一一高度達(dá)508m508m 的臺(tái)北 101101 大廈。如圖 1 1 所示，該建筑沿矩形平面的周邊共布置了8 8 根平面尺寸達(dá) 2.4mx3.0m2.4mx3.0m 的巨型方鋼管 混凝土柱，用以承擔(dān)豎向荷載和水平荷載引起的區(qū)大傾覆力矩；水平剪力主要依靠設(shè)置在核心筒內(nèi)部的支撐框架來(lái)承擔(dān)，當(dāng)然周是我國(guó)超高層圖1臺(tái)北21大廈典型平面邊的巨型柱和抗彎框架也會(huì)參與部分工作。聯(lián)系內(nèi)外構(gòu)件的伸臂桁架起到協(xié)調(diào)變形的作用。圖 2 2 是高度為451.9m451.9m

7、 的馬來(lái)西亞石油雙塔標(biāo)準(zhǔn)樓層平面。每個(gè)塔體沿圓形平面周邊布置了1616 根直徑 2.4m2.4m 的鋼筋混凝土柱11，混凝土強(qiáng)度 等級(jí)相當(dāng)于 C80C80。核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)承擔(dān)水平剪力作用。3幾種羹型的都板墻抗例力體系圖 3 3 為在美國(guó)已實(shí)際應(yīng)用的幾種典型的鋼板墻抗側(cè)力體系鋼板墻組合，為單重抗側(cè)力體系，所有水平剪力全部由鋼板墻承擔(dān)；（b b）鋼框架（抗彎連接）與鋼板墻雙重抗側(cè)力體系，鋼板墻按承擔(dān) 100%100%最大水平荷載設(shè)計(jì)，但鋼框架水平力設(shè)計(jì)值不小于總水平荷載的 25%,25%,作為安全儲(chǔ)備；（c c）、（d d）為耦合鋼板墻抗側(cè)力體系，由連續(xù)橫梁協(xié)同兩片鋼板墻的工作，圖示為鋼管混凝土柱、鋼板墻和連續(xù)橫梁組合的受力體系。其中，鋼管混凝土柱承擔(dān)全部豎向力，內(nèi)側(cè)鋼柱和鋼板墻一起抵抗水平力作用。防屈曲鋼板墻具有良好的抗剪承載性能和優(yōu)良的滯回性能，可以大量消耗因地震作用輸入建筑的能量。但是，如果同時(shí)利用它來(lái)承擔(dān)豎向荷載，將會(huì)大大削弱它的抗側(cè)力性能。而型鋼混凝土柱（SRCSRC）或鋼管混凝土柱是良好的承重構(gòu)件，如果把兩者合理地結(jié)合起來(lái)，巨型柱布置在建筑周邊，主要承擔(dān)重力荷載，同時(shí)有效地抵抗由水平力產(chǎn)生的巨大傾覆力矩，防屈曲鋼板墻與部分承擔(dān)重力荷載的柱可布置在核心筒內(nèi)，該部分柱同