【摘要】高層建筑結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，受力情況較為復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)具體情況，確定結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及方法，并充分考慮結(jié)構(gòu)的各種不利因素。
　　【關(guān)鍵詞】高層建筑：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；受力分析
　　1、層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
　　1．1軸向變形不容忽視
　　高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整：另外對(duì)構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會(huì)得出偏于不安全的結(jié)果。
　　1．2側(cè)移成為控制指標(biāo)
　　與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。
　　1．3結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)
　　相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧�，�?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。
　　2高層建筑結(jié)構(gòu)分析
　　2．1彈性假定
　　目前工程上實(shí)用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計(jì)算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。但是在遭受地震或強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)往往會(huì)產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入到彈塑性工作階段。此時(shí)仍按彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移時(shí)不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作狀態(tài)的，應(yīng)按彈塑性動(dòng)力分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　　2．2小變形假定
　　小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對(duì)幾何非線性問(wèn)題(P-⊿效應(yīng))進(jìn)行了一些研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點(diǎn)水平位移⊿與建筑物高度H的比值⊿／H>1／500時(shí)，P-⊿效應(yīng)的影響就不能忽視了。
　　2．3剛性樓板假定
　　許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無(wú)限大，而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度，簡(jiǎn)化了計(jì)算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計(jì)算筒體結(jié)構(gòu)提供了條件。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對(duì)于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，樓板剛度較小，主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過(guò)大或是層數(shù)較少等情況，樓板變形的影響較大。特別是對(duì)結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯。可將這些樓層的剪力作適當(dāng)調(diào)整來(lái)考慮這種影響。
　　2．4計(jì)算圖形的假定
　　高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計(jì)算圖形有三種：
　　(1)一維協(xié)同分析。按一維協(xié)同分析時(shí)，只考慮各抗側(cè)力構(gòu)件在一個(gè)位移自由度方向上的變形協(xié)調(diào)。在水平力作用下，將結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化為由平行水平力方向上的各榀抗側(cè)力構(gòu)件組成的平面結(jié)構(gòu)。根據(jù)剛性樓板假定，同一樓面標(biāo)高處各榀抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)移相等，由此即可建立一維協(xié)同的基本方程。在扭矩作用下，則根據(jù)同層樓板上各抗側(cè)力構(gòu)件轉(zhuǎn)角相等的條件建立基本方程。～維協(xié)同分析是各種手算方法采用最多的計(jì)算圖形。
　　(2)二維協(xié)同分析。二維協(xié)同分析雖然仍將單榀抗側(cè)力構(gòu)件視為平面結(jié)構(gòu)，但考慮了同層樓板上各榀抗側(cè)力構(gòu)件在樓面內(nèi)的變形協(xié)調(diào)。縱橫兩方向的抗側(cè)力構(gòu)件共同工作，同時(shí)計(jì)算：扭矩與水平力同時(shí)計(jì)算。在引入剛性樓板假定后，每層樓板有三個(gè)自由度∪，Ⅴ，θ，(當(dāng)考慮樓板翹曲是有四個(gè)自由度)，樓面內(nèi)各抗側(cè)力構(gòu)件的位移均由這三個(gè)自由度確定。剪力樓板位移與其對(duì)應(yīng)外力作用的平衡方程，用矩陣位移法求解。二維協(xié)同分析主要為中小微型計(jì)算機(jī)上的桿系結(jié)構(gòu)分析程序所采用。
　　(3)三維空間分析。二維協(xié)同分析并沒(méi)有考慮抗側(cè)力構(gòu)件的公共節(jié)點(diǎn)在樓面外的位移協(xié)調(diào)(豎向位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào))，而且，忽略抗側(cè)力構(gòu)件平面外的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)具有明顯空間工作性能的筒體結(jié)構(gòu)也是不妥當(dāng)?shù)摹Ｈ�維空間分析的普通桿單元每一節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，按符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點(diǎn)還應(yīng)考慮截面翹曲，有7個(gè)自由度。
　　3剪力墻設(shè)計(jì)中的基本概念
　　(1)剪力墻高和寬尺寸較大但厚度較小，幾何特征像板，受力形態(tài)接近于柱，而與柱的區(qū)別主要是其長(zhǎng)度與厚度的比值，當(dāng)比值小于或等于4時(shí)可按柱設(shè)計(jì)，當(dāng)墻肢長(zhǎng)與肢寬之比略大于4或略小于4時(shí)可視為為異形柱，按雙向受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)。
　　(2)剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻是一平面構(gòu)件，它承受沿其平面作用的水平剪力和彎矩外，還承擔(dān)豎向壓力：在軸力，彎矩，剪力的復(fù)合狀態(tài)下工作，其受水平力作用下似一底部嵌固于基礎(chǔ)上的懸臂深梁。在地震作用或風(fēng)載下剪力墻除需滿足剛度強(qiáng)度要求外，還必須滿足非彈性變形反復(fù)循環(huán)下的延性、能量耗散和控制結(jié)構(gòu)裂而不倒的要求：墻肢必須能防止墻體發(fā)生脆性剪切破壞，因此注意盡量將剪力墻設(shè)計(jì)成延性彎曲型。
　　(3)實(shí)際工程中剪力墻分為整體墻和聯(lián)肢墻：整體墻如一般房屋端的山墻、魚(yú)骨式結(jié)構(gòu)片墻及小開(kāi)洞墻。整體墻受力如同豎向懸臂，當(dāng)剪力墻墻肢較長(zhǎng)時(shí)，在力作用下法向應(yīng)力呈線性分布，破壞形態(tài)似偏心受壓柱，配筋應(yīng)盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端；為防止剪切破壞，提高延性應(yīng)將底部截面的組合設(shè)計(jì)內(nèi)力適當(dāng)提高或加大配筋率；為避免斜壓破壞墻肢不能過(guò)小也不宜過(guò)長(zhǎng)，以防止截面應(yīng)力相差過(guò)大。聯(lián)肢墻是由連梁連接起來(lái)的剪力墻，但因一般連梁的剛度比墻肢剛度小得多，墻肢單獨(dú)作用顯著，連梁中部出現(xiàn)反彎點(diǎn)要注意墻肢軸壓比限值。壁式框架：當(dāng)剪力墻開(kāi)洞過(guò)大時(shí)形成寬梁、寬柱組成的短墻肢，構(gòu)件形成兩端帶有剛域的變截面桿件，在內(nèi)力作用下許多墻肢將出現(xiàn)反彎點(diǎn)，墻已類似框架的受力特點(diǎn)，因此計(jì)算和構(gòu)造應(yīng)按近似框架結(jié)構(gòu)考慮。綜上所述，設(shè)計(jì)剪力墻時(shí)，應(yīng)根據(jù)各型墻體的特點(diǎn)，不同的受力特征，墻體內(nèi)力分布狀態(tài)并結(jié)合其破壞形態(tài)，合理地考慮設(shè)計(jì)配筋和構(gòu)造措施。
　　(4)墻的設(shè)計(jì)計(jì)算是考慮水平和豎向作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，求得內(nèi)力后按偏壓或偏拉進(jìn)行正截面承載力和斜截面受剪承載力驗(yàn)算。當(dāng)受較大集中荷載作用時(shí)再增加對(duì)局部受壓承載力驗(yàn)算。在剪力墻承載力計(jì)算中，對(duì)帶翼墻的計(jì)算寬度按以下情況取其小值：即①剪力墻之間的間距；②門(mén)窗洞口之間的翼緣寬度；③墻肢總高度的1∕10；④剪力墻厚度加兩側(cè)翼墻厚度各6倍的長(zhǎng)度。
　　(5)為了保證墻體的穩(wěn)定性及便于施工，使墻有較好的承載力和地震作用下耗散能力，規(guī)范要求一二級(jí)抗震墻時(shí)墻的厚度應(yīng)≥16Omm，底部加強(qiáng)區(qū)宜≥200mm，三四級(jí)抗震等級(jí)時(shí)應(yīng)≥14Omm，豎向鋼筋應(yīng)盡量配置于約束邊緣。
　　4剪力墻的邊緣構(gòu)造
　　(1)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)表明矩形截面剪力墻的延性比工字形或槽形截面剪力墻差：計(jì)算分析表明增加墻肢截面兩端的翼緣能顯著提高墻的延性：因此在矩形墻兩端設(shè)約束邊緣構(gòu)件不但能較顯著地提高墻體的延性，還能防止剪力墻發(fā)生水平剪切滑動(dòng)提高抗剪能力。從1989年出版的規(guī)范開(kāi)始在剪力墻中提出了暗柱、端柱、翼墻(柱)、轉(zhuǎn)角墻(柱)，也就是目前規(guī)范中的約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件的抗震措施。
　　(2)對(duì)規(guī)范的不同理解往往產(chǎn)生了五花八門(mén)的設(shè)計(jì)。有人將每一軸線的墻理解為一片墻僅在端墻設(shè)暗柱，有人將凡是拐角或洞口邊都設(shè)暗柱，而即使是公開(kāi)發(fā)表出版的權(quán)威參考書(shū)或設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)暗柱(翼墻柱)的截面取值也出現(xiàn)了以下三種不同尺寸，因此造成配筋的差別很大，甚至相同的資料由于出版的時(shí)間不同，對(duì)規(guī)范的理解也有所不同。
　　(3)從2002年開(kāi)始實(shí)施的建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型及受力狀況，對(duì)剪力墻兩端及洞口兩側(cè)的加強(qiáng)邊緣，按墻肢在重力荷載代表值作用下墻肢軸壓比的界線及加強(qiáng)部位要求分為約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件兩類。
　　5剪力墻結(jié)構(gòu)的厚度和配筋問(wèn)題
　　(1)墻的水平分布筋是為橫向抗剪以防止墻體在斜裂縫出現(xiàn)后發(fā)生脆性剪切破壞，同時(shí)起到抵抗溫度應(yīng)力防止混凝土出現(xiàn)裂縫，設(shè)計(jì)中當(dāng)建筑物較高較長(zhǎng)或框剪結(jié)構(gòu)時(shí)配筋宜適當(dāng)增加，特別在連梁部位或溫度、剛度變化等敏感部位宜適當(dāng)增加。但對(duì)于矮、短的房屋，其水平筋的配筋率是否適當(dāng)減小值得探討。
　　(2)墻的豎向鋼筋主要起抗彎作用，目前在一些多層低高層剪力墻中電算結(jié)果多為構(gòu)造配筋；但配筋時(shí)所取的配筋率有人往往扣除了約束邊緣構(gòu)件或構(gòu)造邊緣構(gòu)件中的鋼筋，筆者認(rèn)為豎向最小配筋率應(yīng)該包括邊緣構(gòu)件中的筋，墻肢的豎向配筋原則也應(yīng)該盡量將鋼筋布置在墻端部邊緣區(qū)并保證鋼筋間距≤300mm，也應(yīng)該注意防止豎筋過(guò)多使墻的抗彎強(qiáng)度大于抗剪強(qiáng)度，對(duì)抗震不利。
　　6剪力墻結(jié)構(gòu)的超長(zhǎng)問(wèn)題
　　(1)剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，受溫差影響大，混凝土的收縮、徐變產(chǎn)生的變形大，墻體對(duì)樓面、屋面產(chǎn)生的約束也大：當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮變形時(shí)比其他結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫。一些未超長(zhǎng)的剪力墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生墻體或樓面裂縫，其主要原因就在此。
　　(2)剪力墻結(jié)構(gòu)多用于商品住房和公寓，使用狀況復(fù)雜，一旦私人購(gòu)買(mǎi)的房子出現(xiàn)裂縫，雖然沒(méi)有安全問(wèn)題，但處理起來(lái)問(wèn)題多，難度大，社會(huì)影響大。
　　(3)混凝土結(jié)構(gòu)受溫度或收縮徐變的影響與眾多因素有關(guān)而體型龐大的剪力墻房屋往往形狀復(fù)雜，混凝土收縮大，約束應(yīng)力積聚也大，施工工藝及管理也難控制，環(huán)境影響使用變化難于判斷，因此更難于解決混凝土收縮變形時(shí)，在受約束條件下引起拉應(yīng)力而保證不出現(xiàn)裂縫。
　　(4)目前混凝土的收縮量不斷增大，已由8O年代的一般收縮量300με上升到400με以上，因此使混凝土用量大的剪力墻產(chǎn)生裂縫的因素在增大。
　　(5)目前隨著市場(chǎng)形勢(shì)的變化，大部分工程要趕工加班，質(zhì)量難保證，為趕工混凝土中水泥用量普遍增大，使混凝土收縮量增大，加上由于混凝土強(qiáng)度的提高，使彈性模量增加將引起更大的約束拉應(yīng)力產(chǎn)生，增大了結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的因素。
　　(6)普遍使用商品混凝土泵送施工，為了泵送，增大水泥用量，減少了中粗骨料含量和骨料粒徑，加上泵送混凝土合比和施工送料時(shí)的不良因素影響等都加大了結(jié)構(gòu)收縮量，增加產(chǎn)生裂縫的因素。
　　7結(jié)語(yǔ)
　　圍繞著高層建筑結(jié)構(gòu)總結(jié)了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出了剪力墻設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題，以及高層建筑結(jié)構(gòu)分析和各種體系相對(duì)應(yīng)的方法．