抗侧力结构体系选择.docx

1 概述对高层建筑而言，水平荷载往往是结构体系与构件设计的控制因素。而处于抗震设防高烈度 地区的建筑，地震荷载将起到决定性作用。合理的抗侧力体系的选取，不仅能确保结构满足 正常使用和承载力极限状态的刚度、强度以及延性要求，还能较好地发挥材料的性能，加快 施工进程，取得良好的经济指标。因此，在高层和超高层建筑的设计中，抗侧力体系的选取 至关重要。2 抗侧力体系分类目前较为常用的抗侧力结构形式主要有：抗弯框架、中心支撑框架、偏心支撑框架、防屈曲 支撑框架、钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙以及以上各种形式的组合等。抗弯框架结构体系通过梁、柱节点的刚接来提供侧向刚度和水平承载力，抗侧力能力相对较 弱，在水平荷载作用下，侧向变形较大，因而适用高度受到限制。如果在框架体系中的某一跨或某几跨之间，增设斜向支撑杆件，就形成了框架梁、框架柱和 斜撑等共同组成的支撑框架结构体系。支撑框架体系的主要优点是把水平力转化为轴向力， 然后由斜撑来承担，提高了材料的利用效率。根据支撑杆件设置方式的不同，支撑框架体系 又可分为中心支撑框架和偏心支撑框架。其中中心支撑框架是指支撑斜杆与框架横梁及柱汇 交于一点，而无偏心。中心支撑构造简单，具有较大的侧向刚度。但中心支撑存在受压时的 屈曲问题，尤其在往复的水平地震作用下，支撑构件反复受压屈曲后刚度和承载力急剧下降 ，由此造成结构的延性较差。中心支撑体系一般用于非地震区或地震区高度不超过12层的建 筑中。偏心支撑框架是指支撑杆件至少有一端与框架梁相连，并且偏离梁柱轴线交点一定距 离，形成耗能梁段(Shear-link)。这样的处理方法，相当于人为地设置薄弱环节，在大震作 用下，允许这些预先设置的耗能梁段的受剪屈服先于支撑斜杆的屈曲，并通过耗能梁段的非 弹性变形消耗输入的能量，以达到防倒塌的目的。偏心支撑框架结构体系是地震区应用较为 普遍的抗侧力结构形式，但主要缺陷表现在地震作用下，耗能梁段会发生很严重的塑性变形 ，再加上梁本身也承担部分竖向荷载，震后修复工作难度较大。防屈曲支撑框架也是近年来发展起来的新型抗侧体系。它区别于普通支撑的最大特点就是通 过外部的钢套筒和内填混凝土有效限制了支撑杆件的受压屈曲，使得核心单元无论受拉还是 受压都能够达到全截面屈服。国内外的研究成果表明，对相同截面面积的普通支撑和防屈曲 支撑，后者在压力作用下屈曲可以得到有效抑制，滞回曲线拉、压对称并且呈饱满的梭形。 较之普通支撑，防屈曲支撑在往复荷载作用下具有更好的耗能能力。目前该结构体系在美国 、日本等发达国家已经有所应用，我国修订中的高层民用建筑钢结构技术规程也将增加 防屈曲支撑钢框架的相关条文。防屈曲支撑框架的主要不足在于构件加工难度大，造价高； 并且支撑的布置受到建筑立面的制约。钢筋混凝土剪力墙结构在我国有着广泛的应用。它与钢框架构成的双重抗侧力体系目前仍然 是我国超高层建筑的主要结构形式。由于钢筋混凝土核心筒与钢框架刚度的严重不匹配，使 人们对其在地震高烈度地区的应用产生较大的疑虑。并且，钢筋混凝土墙体较大的自重和占 用面积，也促使科研人员和工程技术人员去寻求更为理想的结构形式。 对于高层和超高层建筑，理想的抗震结构体系首要的设计理念应该具有多道防线，并且承受 竖向荷载的构件不应先于主要抗侧力构件破坏。其次，还应该尽可能充分发挥各类构件的作 用，具体来说就是承担附加弯矩和竖向力的构件应尽可能布置在建筑的外围，以此来提高抗 弯效率；而主要承担剪力的构件根据建筑功能分区，则主要布置在靠近中间的核心筒位置。 事实上，如果把整个建筑看成是一个底部固定的悬臂组合梁，则外围框架相当于翼缘，内部 剪力墙相当于腹板。两类构件各取所长，相得益彰，就能够达到理想的抗侧力效果并取得很 好的经济效益。按照上述理念设计出来的超高层建筑，有当今世界第一建筑高度达508m的台北101大厦 。如图1所示，该建筑沿矩形平面的周边共布置了8根平面尺寸达2.4m3.0m的巨型方钢管 混凝土柱，用以承担竖向荷载和水平荷载引起的区大倾覆力矩；水平剪力主要依靠设置在核 心筒内部的支撑框架来承担，当然周边的巨型柱和抗弯框架也会参与部分工作。联系内外构 件的伸臂桁架起到协调变形的作用。图2是高度为451.9m的马来西亚石油双塔标准楼层平面 。每个塔体沿圆形平面周边布置了16根直径2.4m的钢筋混凝土柱1，混凝土强度 等级相当于C80。核心筒采用钢筋混凝土剪力墙结构承担水平剪力作用。 图3为在美国已实际应用的几种典型的钢板墙抗侧力体系23。(a)为梁柱铰 接(抗剪连接) 与钢板墙组合，为单重抗侧力体系，所有水平剪力全部由钢板墙承担；(b)钢框架(抗弯连接 )与钢板墙双重抗侧力体系，钢板墙按承担100最大水平荷载设计，但钢框架水平力设计值 不小于总水平荷载的25，作为安全储备；(c)、(d)为耦合钢板墙抗侧力体系，由连续横梁 协同两片钢板墙的工作，图示为钢管混凝土柱、钢板墙和连续横梁组合的受力体系。其中， 钢管混凝土柱承担全部竖向力，内侧钢柱和钢板墙一起抵抗水平力作用。防屈曲钢板墙具有良好的抗剪承载性能和优良的滞回性能，可以大量消耗因地震作用输入建 筑的能量。但是，如果同时利用它来承担竖向荷载，将会大大削弱它的抗侧力性能。而型钢 混凝土柱(SRC)或钢管混凝土柱是良好的承重构件，如果把两者合理地结合起来，巨型柱布 置在建筑周边，主要承担重力荷载，同时有效地抵抗由水平力产生的巨大倾覆力矩，防屈曲 钢板墙与部分承担