高层建筑在水平力作用下结构抗扭设计探析

张浩浩 杨姝姮

摘 要：该文简单介绍了高层建筑结构设计特点，针对高层建筑在水平力作用下结构抗扭设计展开了深入的研究分析，提出了一些建议，希望可以对高层建筑结构抗扭设计起到一定的参考和帮助。

关键词：高层建筑；水平力作用；结构抗扭设计

中图分类号：TU97 文献标志码：A

当前高层建筑在我国得到了极大的发展和推广，不管是建设数量还是建筑规模都有明显增大，高层建筑与多层建筑不同，其水平力十分关键，必须要对轴向变形有足够重视。高层建筑结构设计过程中，需要保持建筑物平面尽量规则对称。结构体系的选择需要与建筑物高度和其他方面的要求相结合，同时在结构设计过程中还需要提高抗侧力体系布置的合理性。高层建筑结构设计中，如果平面不规则将非常容易增大扭转效应以及结构水平位移。通过结构抗扭设计，实现对结构体系的调整和分析，保证其满足建筑设计要求，该文就此展开了研究分析。

1 高层建筑结构设计特点

钢筋混凝土以及钢在高层建筑建设中占有非常重要的比重，其种类、型号等多种多样。不同地区、不同条件下，高层建筑施工必须要做好施工材料的选择，充分发挥出建筑材料的优势，提高高层建筑建设经济合理性。

1.1 水平荷载有决定性作用

建筑结构不仅需要承担竖向荷载作用，同时还需要承担水平荷载作用。低层建筑结构方案、材料、成本等由竖向荷载确定，高层建筑竖向荷载对结构设计同样有重要影响，但是随着房屋高度宽度比的增大，水平荷载会产生非常大的侧向位移和内力，对建筑结构方案、造价和材料用量等影响更大。

1.2 重视轴向变形

低层建筑结构中仅进行弯矩项考虑，轴力项对整个建筑的影响非常小，不需要过多地考虑剪切项。高层建筑结构中，受到建筑高度、层高等因素的影响，会存在非常大的轴力值，同时因为顺着高度方向存在非常明显的轴向变形积累，随着轴向变形的增大，对高层建筑内力值以及分布会有非常大影响。

1.3 控制侧移

高层建筑结构设计中十分注重结构侧移的控制，楼层高度增加过程中，受到水平荷载作用，结构侧向变形会迅速增加。高层结构的设计不仅要保证其有足够强度，同时还能够承受来自风荷载作用所产生的内力。建筑结构抗推刚度满足要求，实现在水平荷载作用下对结构侧移的有效控制。

1.4 结构延性设计

高层建筑受到地震作用会出现较大的变形，为了保证高层建筑在塑性变形阶段有非常好的变形能力，不会发生倒塌等事故，就必须要从构造方面出发，采取针对性的设计措施，做好建筑结构延性设计，使建筑结构延性满足要求。

1.5 高层建筑结构类型

高层建筑结构类型包括钢结构、钢筋混凝土结构、钢和钢筋混凝土结构等。1）钢结构。钢结构具有韧性大、强度高等特点，应用在高层建筑中，结构断面小，有着非常好的抗震性能，同时容易在工厂加工，工程项目建设工期会有明显缩短。但是在高层建筑施工中的钢结构会用到很多钢材，很大程度上提高了工程项目施工成本，另外，钢的耐火性相对较差，如果大范围涂刷防火材料，工期和造价会明显增加；2）钢筋混凝土结构。这种结构建设成本低，在复杂断面形状以及不同结构体系中有非常广泛的应用，钢材用量小，抗震性能优良，当前钢筋混凝土结构在高层建筑中有着非常广泛的应用，钢筋混凝土结构有着构件截面大、自重大等不足，其工程造价低于钢结构，同时有良好的耐火性，能够实现对侧移的有效控制，当前钢筋混凝土高层建筑数量越来越多；3）钢和钢筋混凝土结构。将钢结构与钢筋混凝土结构相互结合，能够取长补短，在提高技术性能的同时满足经济合理性，当前钢与钢筋混凝土结构的组合有两种不同方式，第一种是利用钢材对钢筋混凝土构件进行加强，在构件内部埋设钢材，外部使用混凝土浇筑，同时还可以将混凝土填充在钢管内部，不仅可以减少结构断面，提高建筑抗震性能，同时还具有良好的刚度和耐火性，在地下室和底部几层有着非常广泛的应用，第二种是将钢结构应用在部分抗侧力结构中，另外结构使用钢筋混凝土结构，这种结构也叫作混合结构，多选择钢筋混凝土做剪力墙，框架-剪力墙结构如图1所示。

2 高层建筑在水平力作用下结构抗扭设计

2.1 抗侧力构件平面布置

钢-混凝土结构高层建筑的动力特性很大程度上受到抗侧力构件平面布置的影响，为了使各个构件均匀，有足够承载力实现对水平荷载的有效抵抗，可以将抗侧力构件顺着纵横方向进行布置，抗侧力构件平面布置需要遵循以下几个方面原则：第一，针对抗推刚度较大芯筒，比如墙筒、框筒等，需要按照对称或者居中方式布置；第二，抗侧力构件的布置还需要保证楼层水平剪力以及抗推刚度中心合力相重合，实现对结构扭转振动问题的有效抵抗；第三，保持建筑进深、开间等相一致，方便构件的制作和安装；第四，如果钢筋混凝土墙板受剪承载力较大，还需要尽量将其从楼层平面中心向着楼层平面周边移动，使整个结构有足够的抗扭转和抗倾覆能力；第五，柱网尺寸和构件布置需要控制钢柱截面尺寸适宜，构件截面钢板厚度控制在100 mm以内，随着钢板厚度增加，焊接难度会有明显提升，同时焊接完成后容易出现层状撕裂，焊接质量很难得到保证。

2.2 抗侧力构件的立面布置

高层构件抗侧力构件立面布置需要遵循以下几个方面原则：第一，顺着高度方向保持抗侧力构件连续，同时在一条竖直线；第二，各抗侧力构件所承载的楼层质量在高度方向不存在有明显变化；第三，自上而下，逐渐增加各抗侧力构件抗推刚度和承载力，同时构件所承担的轴力、水平剪力等也会相应增大。当前很多地区的高层建筑都在向着多功能方向发展，同一大楼集中多种不同使用功能，大楼的经济效益和社会效益会明显提高。因为大楼在使用功能方面的不同，对楼面使用空间的要求也存在明显的差异性，出现有竖向不规则结构，针对这一情况，在计算结构抗震作用效应时，需要综合不同影响因素分析考虑，同时考虑结构弹塑性时程，适当采取提高柔弱楼层结构延性的策略，使高层建筑的变形能力得到优化和提升。

3 结语

高层建筑结构的抗扭设计十分重要，其直接关系到建筑使用安全性和建筑建设质量。高层建筑在水平力作用下的结构抗扭设计过程中，需要结合高层建筑实际情况，做好抗侧力构件平面布置以及抗侧力构件的立面布置，取得理想的建设效果。

参考文献

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