高层建筑结构分析—框架-剪力墙结构

随着我国城市化进程及人口的持续增长导致城市人口急剧上升,城市居住、生产、生活用地日趋紧张。为节约及充分利用城市土地资源,减少拆迁费、市政工程费和复杂地形处理费,提高城市社会吸纳能力及其综合效益,缓解城市膨胀及城市房屋的严峻供需矛盾,改善城市环境与调节心理等城市社会性问题,高层建筑的数量仍将在全国各大中城市持续增长,且其规模、高度、复杂性及建设速度也将呈上升趋势。

在一般房屋的结构设计中，通常将整个结构划分为若干平面结构单元，单元按受荷面积或间距分配荷载，然后逐片按平面结构进行力学分析和设计，然而这种简化分析和设计的方法对高层建筑结构却并不适用。高层建筑结构具有如下主要特点：

1、水平荷载成为决定性因素

2、轴向变形不容忽视

3、侧移成为控制指标

4、结构延性是重要的设计指标

5、体形要求

6、重视概念设计

7、扭转效应

2 高层建筑结构的现状与发展

我国的高层建筑发展始于上世纪初,1921年至1936年,上海、广州陆续建造了一些高层旅馆、办公楼和住宅；解放后50年代至70年代,高层建筑取得了一定的发展；80年代开始,随着经济建设的发展,高层建筑进入了快速发展时期,兴建了大量的高层建筑；近二十年来,我国高层建筑取得了令世人瞩目的发展。尤其近年来,我国内地成为世界高层建筑发展的中心之一。

在高层建筑的结构选型方面，七十年代以前，我国的高层建筑多采用钢筋混凝土框架结构、框架—剪力墙结构和剪力墙结构。进入八十年代，由于建筑功能以及高度和层数等要求，筒中筒结构、筒体结构、底部大空间的框支剪力墙结构以及大底盘多塔楼结构在工程中逐渐采用。九十年代以来，除上述结构体系得到广泛应用外，多筒体结构、带加强层的框架—筒体结构、连体结构、巨型结构、悬挑结构、错层结构等也逐渐在工程中采用。

高层建筑结构设计方法不断创新。高层建筑结构的分析计算已基本告别传统的手工计算而采用计算机程序计算，基本上都采用三维空间结构分析计算程序。常用的计算分析模型有，空间杆—薄壁杆件分析模型、空间杆—墙组元模型及空间杆—壳元分析模型。

高层建筑结构施工技术迅速发展。高层建筑由于对抗震、抗风的要求高，且建筑多样化，层数、高度日益提高，九十年代以来国内高层建筑的施工方法是以全现浇钢筋混凝土施工为主体，另外由于钢结构和钢—混凝土混合结构的兴建，需辅以此类结构的预制安装方法和多种混合施工方法。在高层建筑基础采用大体积混凝土施工技术方面取得了经验，其主要措施为：减少水泥水化热，采用较低水化热水泥，掺粉煤灰和减水剂，提高砼抗拉强度；采用泵送预拌混凝土、分段、分层连续作业的合理浇捣方法，并及时养护及进行测温监控。

3 高层建筑主要结构体系体系简介

3.1框架结构体系

框架结构由梁柱构件组成，是早期多采用的结构体系。框架结构构件类型少可以在构建工厂标准化生产，也可以在施工现场采用定型模板进行现浇制作，整体性好和抗震性能较好，并且框架结构平面布置灵活、空间大，能适应较多功能的需要。在框架结构建筑中，外墙可使用非承载构件使立面设计灵活多变，内墙采用轻质隔墙，可以按需要选择拆除以适应更多样的空间需求，并且这些轻质隔墙和外墙的采用大大降低了建筑物自重，节省了材料，因此成为高层建筑的主要结构形式。但是框架结构的抗侧移刚度较小，在一般节点连接情况下当承受侧向的风力或地震作用时将会有较大的剪切变形，因此限制了框架结构的使用高度。总之在修建高度不大的高层建筑物时，框架结构体系性能表现良好。

3.2 剪力墙体系

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时,即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中,单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构,其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高,有一定的延性,传力直接均匀,整体性好,抗倒塌能力强,是一种良好的结构体系。

3.3 框架—剪力墙体系

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时,往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架,便形成了框架—剪力墙体系。在承受水平力时,框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载,剪力墙主要承受水平荷载。框架—剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置,增大了结构的侧向刚度,使建筑物的水平位移减小,同时框架承受的水平剪力显著降低且内力沿竖向的分布趋于均匀,所以框架—剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

3.4 筒体体系

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系,包括单筒体、筒体-框架、筒中筒、多束筒等多种型式。筒体是一种空间受力构件,分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。筒体体系具有很大的刚度和强度,各构件受力比较合理,抗风、抗震能力很强,往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

4 概念设计

概念设计是指以工程概念为依据,用符合工程客观规律和本质的方法,不经过数值计算,对一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题,依据整体结构体系与分体之间的力学关系,结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本原则和设计思想,从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。高层建筑由于其高度原因,结构受力十分复杂,除了来自本身极大的自重和使用荷载外,还有来自水平方向的风荷载和地震作用,后者往往成为控制建筑结构设计的主要因素。因此高层建筑结构必须进行概念设计。

概念设计主要包含结构概念设计、平面设计、剖面设计、基础设计概念等几方面。

基于以上几方面的认识,在高层建筑的研究与设计中,应从宏观的角度出发,采用由大到小、自顶向下的原则选定结构形式,使所选结构形式在适当条件下能使建筑具有形体美和环境美,并且满足地形、地质、材料、施工等条件,综合处理好功能、技术、艺术、经济等方面的矛盾。结构工程师应研究建筑师提出的构思方案,努力保证构思方案具有必要的安全可行性,并及时反馈信息,使结构方案更趋于合理,从而才能创造出更加适用、安全、经济、美观的高层建筑。

5 框架-剪力墙结构设计

5.1 框剪结构受力与变形特点

框架-剪力墙结构：无论从使用上，还是从受力、变形性能上看，都是一种比较好的体系，在水平荷载作用下，框架与剪力墙的协同作用及其变形。当框架与剪力墙通过楼盖形成框架-剪力墙结构时，各层楼盖因其巨大的水平刚度使框架与剪力墙的变形协调一致，即：在房屋的上部，剪力墙被框架往后拉，在下部，剪力墙被框架向前推，组合体系最后变形为一平缓的S形曲线（如图5-1所示）。结构侧向变形介于剪切型与弯曲型之间，一般属于弯剪型。

                              

图5-1框架剪力墙及框架剪力墙结构体系变形曲线

5.2 框剪结构布置原则与要求

框架-剪力墙结构应设计成双向抗侧力体系。其中，剪力墙的布置宜符合下列要求：

1、剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位；

2、平面形状凹凸较大时，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙；

3、纵、横剪力墙宜组成L形、T形和I形等型式；

4、对称布置，刚度分布均匀，减少扭转效应；

5、剪力墙宜贯通建筑物的全高，宜避免刚度突变；剪力墙开洞时，洞口宜上下对齐；

6、楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置；

7、抗震设计时，剪力墙的布置宜使结构各主轴方向的侧向刚度接近。

8、单片剪力墙底部承担的水平剪力不宜超过结构底部总水平剪力的40%；

9、剪力墙间距不宜过大。

5.3 框剪结构的计算原则与一般规定

在现行规范的抗震分析中采用协同工作计算法，即采用框架弹性刚度和剪力墙弹性刚度组成并联体结构模型，计算出结构弹性自振周期，按众值烈度计算弹性地震作用，并将地震作用按弹性刚度比值分配给框架和剪力墙。该计算方法不能反映出因剪力墙开裂、刚度在局部发生突变而引起墙体转动给结构带来内力重分布，这样显然与实际情况有误差，因此，有必要作调整。

5.4 框剪结构内力和位移的简化计算方法

框剪结构是一个复杂的组合结构,在仅考虑结构的水平作用时,可作如下假定:

(1)认为框架、剪力墙在其自身平面内的刚度很大,而在其平面外的刚度相对来讲又极小,故可忽略其平面外的刚度。这样,就可将纵横向的框架与剪力墙分别考虑,化空间结构为平面结构来处理。

(2)认为各楼层在其自身平面内的刚度为无穷大,在水平荷载作用下,各平面抗侧力结构之间通过楼层联系而协同工作,因此,同一楼层处所有框架和剪力墙的水平位移均相等,楼层只发生刚体运动而不产生变形,这样整个结构的水平荷载就可按框架与剪力墙的等效刚度进行分配,然后可分别进行变形和内力的计算。

(3)水平地震作用由框架和剪力墙共同承担,因而整个结构可划分为若干个平面结构,共同抵抗与平面结构平行的侧向荷载,垂直于该方向的结构不参加受力

(4)侧向力的合力通过结构的抗侧刚度中心,即结构的平面没有整体扭转。

基于上述基本假定,可以将同一结构的所有框架和剪力墙合并为总框架和总剪力墙,在总框架与总剪力墙之间用无轴向变形连梁连接。根据连梁的不同连接形式,可将实际结构简化为刚接体系和铰接体系。采用杆模型分析时,这两种体系在水平荷载作用下的整体反应区别不是很大。对于动力学分析,还需作进一步考虑。在实际工程应用中,仅考虑水平地震作用时,对于框剪这类抗侧力结构的整体动力特性分析,一般应将杆模型进一步简化为弯剪型层间模型进行处理。相对于剪切型层间模型,弯剪型模型考虑了相邻层弯曲的影响,与实际状况更为吻合。简化为弯剪型层间模型的关键在于楼层层间刚度和侧移刚度矩阵的推导,可以采用结构动力分析的凝聚方法和柔度法。

5.5截面设计及构造

《高层建筑结构混凝土结构技术规程》规定：框架-剪力墙结构、板柱，剪力墙结构中，剪力墙的竖向、水平分布钢筋的配筋率，抗震设计时均不应小于0.25％，非抗震设计时均不应小于0.20％，并应至少双排布置。各排分布筋之间应设置拉筋，拉筋的直径不应小于6mm、间距不应大于600mm。

带边框剪力墙的构造应符合下列规定：

1带边框剪力墙的截面厚度应符合本规程附录D的墙体稳定计算要求，且应符合下列规定：

1)抗震设计时，一、二级剪力墙的底部加强部位不应小于200mm；

2)除本款1)项以外的其他情况下不应小于160mm。

2剪力墙的水平钢筋应全部锚入边框柱内，锚固长度不应小于la(非抗震设计)或laE(抗震设计)；

3与剪力墙重合的框架梁可保留，亦可做成宽度与墙厚相同的暗梁，暗梁截面高度可取墙厚的2倍或与该榀框架梁截面等高，暗梁的配筋可按构造配置且应符合一般框架梁相应抗震等级的最小配筋要求；

4剪力墙截面宜按工字形设计，其端部的纵向受力钢筋应配置在边框柱截面内；

5边框柱截面宜与该榀框架其他柱的截面相同，边框柱应符合本规程第6章有关框架柱构造配筋规定；剪力墙底部加强部位边框柱的箍筋宜沿全高加密；当带边框剪力墙上的洞口紧邻边框柱时，边框柱的箍筋宜沿全高加密。

6 结语

本文介绍了高层建筑结构的现状与发展、主要结构体系体系、概念设计，并着重介绍了框剪-剪力墙结构体系的设计要点。完成论文的过程中，我对《高层建筑结构分析》这门课程有了一定的回顾并获得了新的认识。