试析侧向刚度控制在常见高层建筑结构设计的应用

吴敏 计敏敏

【摘要】从倒三角形对匀质构建所起的作用的角度出发，高层建筑只要控制住以弯曲型变形为主的侧移曲线，且匀质结构与楼侧向刚度的参数接近，结构楼层的侧向刚度变化就会趋于均匀。目前世界上的主要国家，专家在通过调查了解到，在结构抗震设计规范对楼层侧向刚度变化控制上都有局限性。介于此，专家在经过研究后，对高层建筑在侧向刚度变化上提出了新的准则。

【关键词】高层建筑结构；侧向刚度突变；楼层侧向刚度

在建筑结构楼层侧向刚度及其沿结构高度变化这个问题上，世界主要国家都有明确的规定，就是为了防止由于地震导致的楼层侧向刚度突变引发的局部构件变形集中。而且每个国家所规定的标准是不一样的，比如美国人的规定，楼层侧向刚度如果大于上一层位移角的1.3时，侧向高层就必须小于楼层高度的70%，而澳大利亚则提出，上一层要大于楼层剪力以楼层位移角的1.4倍。而上述规范，我国从中拿来借鉴，制定到了《建筑工程抗震性态设计通则》里。由此可见，各国的规范在结构层高不变时，侧向刚度变化控制方面基本上是相同的。

剪切变型和弯曲变型是建筑结构侧向变形的两种形式。弯曲型变形的结构和剪切型变形结构在位移角沿高度的变化是呈反比的，也就是说弯曲型变形的位移角沿高度是逐渐增大的，而弯曲型变形结构的位移沿高度是逐渐减小的。而且，各国由于考虑到弯曲型变形和剪切型变形的相邻楼层位移角之比沿结构高度变化很大，所以认为控制结构楼层侧向刚度变化都采用一个数值来确定是不合理的。并且发现，采用平均值的标准对以剪切型变形为主的结构有一定的效果。这是在通过大量的算例后得出的结论。

一.楼层侧向刚度控制准则的建立

根据长时间的研究，通过研究出的一些抗弯刚度的匀质构件在倒三角形荷载的公式可以知道，楼层结构的总高度、楼层位置以及层高的决定因素与均匀结构楼层侧向刚度变化有关系。

楼层的层高发生变化、竖向构件刚度突然发生变化、楼层的层高与竖向构件刚度都发生变化这是建筑结构楼层侧向刚度突变的三种常见情况。而当建筑结在发生上述三种情况的任何一种的时候，侧向位移就会发生突变，地震反映就会在楼层侧向刚度不均匀的情况下增大。如果遇到这种情况，就要试图将结构侧向刚度趋于均匀，这时可以通过对控制结构楼层侧向刚度变化的方式来接近上述所提到的均匀结构的相应参数。

二.算例分析

如果计算一个29层大楼的侧向刚度沿结构高度变化，通过它的运算方法可以看出，楼层侧向刚度并不随着结构层高的变化而变化。而且为了能够满足我国现行规定抗震设计的要求，抗震设计、剪刀墙厚都要达到250mm。如果楼板平面内刚度无限大，则要采用空间杆-墙板元模型的结构分析方式。为了能够让刚度在发生某一层结构沿高度变小时趋于均匀，应该加大刚度突变楼层的构件截面，并且结构侧移的参数能够接近楼层结构在倒三角形荷载的作用。

三.设计建议

导致高层建筑结构楼层侧向刚度突变是由于转换层的设置引起的。 而竖向构件截面突变是因为采用了柱支剪力墙。在使用功能上，转换层兼作会所，从而让转换层层高相对其上一层的住宅层高突变。专家通过计算得出结论，转换层以下剪力墙在采用框支剪力墙结构时，厚度可达到700-900mm，但采用规定的控制准则时，可以减小200-300mm。为了能够让地震作用大小沿结构高度与我国现行的规范一致，应该继续采用楼层侧向刚度比控制结构侧向刚度变化。而[ka]是合理的楼层侧向刚度比。

层高、楼层位置以及结构总高度均与楼层侧向刚度比有关，而与之无关的则是荷载大小以及结构刚度。建筑结构楼层侧向刚度比在以弯曲型变形为主时不应该小于0.90.

四.结构局部层高变化的影响

4.1 构架结构

4.1.1 计算模型

例如一个拥有18层的钢筋混凝土框架结构，梁、柱混凝土强度等级以及框架柱截面为C30和800mm*800mm。变化层高的位置在首层、三层、五层以及七层。而3.6m、4.2m、4.8m、5.4m、6m、7.5m、9m是每层的对应高度。而于此同时，相应的层高也会放生一定的变化幅度，而变化幅度则为1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.5、3.0。而其他楼层层高保持不变，均保持在3m。抗震设防烈度和場地类别分别为7度和Ⅱ类。

4.1.2 计算结果及分析

1 层高变化幅度与层高变化处的各种刚度比和层间位移角比成正比的关系，也就是说层高变化处的各种刚度比和层间位移角比随着层高变化幅度的增长而增长。2楼层侧向刚度比和层间位移角比由于结构底部嵌固导致值均较小；当层高变化幅度随着层高在上部楼层的突变和变化位置的提高，层间位移角比的数值就会增大。

4.1.3 框架结构层高变化层处楼层刚度比控制讨论

层间位移角比的值会随着层高变化层处的楼层感度比增大而增大。此时，要想做好在层间位移角比的基础上讨论层高度比的空置问题，最好建立两者的关系曲线。并由此能够得知，层高即便变化幅度达到了3层突变，与之对应的数值也仅仅只是0.83。而层高位置处于低位时，控制值的可以选择较大的。这样，突变层处层间位移角变化的连续性就能够得到保证。

总的来说，层高变化在首层时，对刚度影响较小，而且位移角能够有连续均匀的变化；

4.2剪力墙结构模型的计算

以30层的钢筋混凝土剪力结构为例，强度等级以及剪力墙厚度均为C30和300mm。抗震设防烈度和场地类别为7度和Ⅱ类。通过剪力墙结构模型的刚度比及层间位移角比的计算结果得知，层高变化位置和幅度和楼层刚度比的变化基本相同，但在数值上存在差异。

4.3剪力墙结构层高变化处楼层刚度比控制讨论

通过研究得知，层高变化幅度在首层变化时即便达到了3，层间位移角比的值也仅为0.71；层高变化幅度在上部楼层变化时，从1变成了3，与其对应的层间位移角比也要小于1，大致为0.82-1。对于突变层处间位移角变化的连续性都能予以保证。

【结束语】通过对侧向刚度控制在常见高层建筑结构设计的应用讨论，我们已经对这一技术有了一定的认识。研究人员应该借鉴国外的标准在结合中国的实际情况，制定出完善的设计理念。因此这就需要研究人员的不断努力，从而让侧向刚度控制技术趋于完善化。

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