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【正文】 抗力矩和抵抗變形問(wèn)題。高層建筑中的柱、梁、墻及板等經(jīng)常需要采用特殊的結(jié)構(gòu)布置和特殊的材料，以抵抗相當(dāng)高的側(cè)向荷載以及變形。 如前所述，在高層建筑中每平方英尺建筑面積結(jié)構(gòu)材料的用量要高于低層建筑。支撐重力荷載的豎向構(gòu)件，如墻、柱及井筒，在沿建筑物整個(gè)高度方向上都應(yīng)予以加強(qiáng)。用于抵抗側(cè)向荷載的材料要求更多。 對(duì)于鋼筋混凝土建筑，雖著建筑物層數(shù)的增加，對(duì)材料的要求也隨著增加。應(yīng)當(dāng)注意的是，因混凝土材料的質(zhì)量增加而帶來(lái)的建筑物自重增加，要比鋼結(jié)構(gòu) 增加得多，而為抵抗風(fēng)荷載的能力而增加的材料用量卻不是呢么多，因?yàn)榛炷磷陨淼闹亓靠梢缘挚箖A覆力矩。不過(guò)不利的一面是混凝土建筑自重的增加，將會(huì)加大抗震設(shè)計(jì)的難度。在地震荷載作 用下，頂部質(zhì)量的增加將會(huì)使側(cè)向荷載劇增。 無(wú)論對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面這些基本的原則都有助于在不需要增加太多成本的前提下增強(qiáng)建筑物抵抗側(cè)向荷載的能力。 1. 增加抗彎構(gòu)件的有效寬度。由于當(dāng)其他條件不變時(shí)能夠直接減小扭矩，并以寬度增量的三次冪形式減小變形，因此這一措施非常有效。但是必須保證加寬后的豎向承重構(gòu)件非常有效地連接。 2. 在設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)，盡可能有效地使其加強(qiáng)相互作用力。例如，可以采用具有有效應(yīng)力狀態(tài)的弦桿和桁架體系；也可在墻的關(guān)鍵位置加置鋼筋；以及最優(yōu)化鋼架的剛度比等措施。 3. 增加最有效的抗彎構(gòu)件的截面。例如，增加較低層柱以及連接大梁的翼緣截面，將可直接減少側(cè)向位移和增加抗彎能力，而不會(huì)加大上層樓面的質(zhì)量，否則，地震問(wèn)題將更加嚴(yán)重。 4. 通過(guò)設(shè)計(jì)使大部分豎向荷載，直接作用于主要的抗彎構(gòu)件。這樣通過(guò)預(yù)壓主要的抗傾覆構(gòu)件，可以使建筑物在傾覆拉力的作用下保持穩(wěn)定。 5. 通過(guò)合理地放置實(shí)心墻體及在豎向構(gòu)件中使用斜撐構(gòu)件，可以有效地抵抗每層的局部 剪力。但僅僅通過(guò)豎向構(gòu)件進(jìn)行抗剪是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)槭怪傲河凶銐虻目箯澞芰?，比用墻或斜撐需要更多材料和施工工作量? 6. 每層應(yīng)加設(shè)充足的水平隔板。這樣就會(huì)使各種抗力構(gòu)件更好地在一起工作，而不是單獨(dú)工作。 7. 在中間轉(zhuǎn)換層通過(guò)大型豎向和水平構(gòu)件及重樓板形成大框架，或者采用深梁體系。 應(yīng)當(dāng)注意的是，所有高層建筑的本質(zhì)都是地面支撐的懸臂結(jié)構(gòu)。如何合理地運(yùn)用上面所提到的原則，就可以利用合理地布置墻體、核心筒、框架、筒式結(jié)構(gòu)和其他豎向結(jié)構(gòu)分體系，使建筑物取得足夠的水平承載力和剛度。本文后面將對(duì)這些原理的應(yīng)用做介紹。 高層建筑的 豎向構(gòu)件從上到下逐層對(duì)累積的重力和荷載進(jìn)行傳遞，這就要有較大尺寸的墻體或者柱體來(lái)進(jìn)行承載。同時(shí)，這些構(gòu)件還要將風(fēng)荷載及地震荷載等側(cè)向荷載傳給基礎(chǔ)。但是，側(cè)向荷載的分布不同于豎向荷載，它們是非線性的，并且沿著建筑物高度的增加而迅速地增加。例如，在其他條件都相同 時(shí)，風(fēng)荷載在建筑物底部引起的傾覆力矩隨建筑物高度近似地成平方規(guī)律變化，而在頂部的側(cè)向位移與其高度的四次方成正比。地震荷載的效應(yīng)更為明顯。 對(duì)于低層和多層建筑物設(shè)計(jì)只需考慮恒荷載和部分動(dòng)荷載時(shí)，建筑物的柱、墻、樓梯或電梯等就自然能承受大部分水平力。所考慮的 問(wèn)題主要是抗剪問(wèn)題。對(duì)于現(xiàn)代的鋼架系統(tǒng)支撐設(shè)計(jì)，如無(wú)特殊承載需要，無(wú)需加大柱和梁的尺寸，而通過(guò)增加板就可以實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于鋼筋混凝土建筑，雖著建筑物層數(shù)的增加，對(duì)材料的要求也隨著增加。應(yīng)當(dāng)注意的是，因混凝土材料的質(zhì)量增加而帶來(lái)的建筑物自重增加，要比鋼結(jié)構(gòu)增加得多，而為抵抗風(fēng)荷載的能力而增加的材料用量卻不是呢么多，因?yàn)榛炷磷陨淼闹亓靠梢缘挚箖A覆力矩。不過(guò)不利的一面是混凝土建筑自重的增加，將會(huì)加大抗震設(shè)計(jì)的難度。在地震荷載作用下，頂部質(zhì)量的增加將會(huì)使側(cè)向荷載劇增。 無(wú)論對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面 這些基本的原則都有助于在不需要增加太多成本的前提下增強(qiáng)建筑物抵抗側(cè)向荷載的能力。增加抗彎構(gòu)件的有效寬度。由于當(dāng)其他條件不變時(shí)能夠直接減小扭矩，并以寬度增量的三次冪形式減小變形，因此這一措施非常有效。但是必須保證加寬后的豎向承重構(gòu)件非常有效地連接。在設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)，盡可能有效地使其加強(qiáng)相互作用力。 應(yīng)當(dāng)注意的是，所有高層建筑的本質(zhì)都是地面支撐的懸臂結(jié)構(gòu)。如何合理地運(yùn)用上面所提到的原則，就可以利用合理地布置墻體、核心筒、框架、筒式結(jié)構(gòu)和其他豎向結(jié)構(gòu)分體系，使建筑物取得足夠的水平承載力和剛度。本文后面將對(duì)這些原理的應(yīng) 用做介紹。 剪力墻結(jié)構(gòu) 在能夠滿足其他功能需求時(shí)，高層建筑中采用剪力墻可以經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行高層建筑的抗側(cè)向荷載設(shè)計(jì)。例如，住宅樓需要很多隔墻，如果這些隔墻都設(shè)計(jì)為實(shí)例的，那么他們可以起到剪力墻的作用，既能抵抗側(cè)向荷載，又能承受豎向荷載。對(duì)于 20 層以上的建筑物，剪力墻極為常見。如果給與足夠的寬度，剪力 墻能夠有效地抵抗 3040 層甚至更多的側(cè)向荷載。 但是，剪力墻只能抵抗平行于墻平面的荷載（也就是說(shuō)不能抵抗垂直于墻的荷載）。因此有必要經(jīng)常在兩個(gè)相互垂直的方向設(shè)置剪力墻，或者在盡可能多的方向布置，以用來(lái)抵抗各個(gè)方向的 側(cè)向荷載。并且，墻體設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)的問(wèn)題。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，兩片或者更多的剪力墻會(huì)布置成 L 型或者槽形。實(shí)際上，四片內(nèi)剪力墻可以被聯(lián)結(jié)成矩形，以更有效地抵抗側(cè)向荷載。如果所有外部剪力墻都連接起來(lái)，整個(gè)建筑物就像是一個(gè)筒體，將會(huì)具有很強(qiáng)的抵抗水平荷載和抵抗扭矩的能力。 通?；炷辆图袅Χ际菍?shí)體的，并在有要求時(shí)開洞，而鋼筋剪力墻常常是做成桁架式。這些桁架上可能布置成蛋單斜撐、 X 斜撐及 K 斜撐。在側(cè)向力作用下這些桁架的組合構(gòu) 件受到或拉或壓力。從強(qiáng)度和變形控制角度來(lái)說(shuō)，桁架有著很好的功效，并且管道可以在構(gòu)件之間穿過(guò)。當(dāng)然，鋼桁架墻的斜向構(gòu)件在墻體上要正確放置，以免妨礙開窗、循環(huán)以及管道穿墻。 對(duì)于很多高層建筑，如果墻體和筒架進(jìn)行合理地安排與連接，會(huì)起到很好的抵抗側(cè)向荷載的作用。還要求由這些結(jié)構(gòu)分體系提供的剛度在各個(gè)方向上應(yīng)大體對(duì)稱。 框架結(jié)構(gòu) 在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，用于抵抗豎向和水平荷載的框架結(jié)構(gòu)，常作為一個(gè)重要且標(biāo)準(zhǔn)的型式而被采用。它適用于低層、多層建筑物，亦可用于 70100 層高的高層建筑物。同剪力墻結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)更適合在 建筑物的內(nèi)部或者外圍的墻體上開設(shè)矩形孔洞。同時(shí)它還能充分利用建筑物內(nèi)在任何情況下都要采用的梁和柱的剛度，但當(dāng)柱子與梁剛性連接時(shí)，通過(guò)框架受彎來(lái)抵抗水平和豎向荷載會(huì)使這些柱子的承載能力變得更大。 大多情況下，框架的剛度不如剪力墻，因此對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的建筑物將會(huì)出現(xiàn)過(guò)度變形。但正是因?yàn)槠淙嵝裕沟闷渑c剪力墻結(jié)構(gòu)相比具有更大的延性，因而地震荷載下不易發(fā)生事故。例如，如果框架局部出現(xiàn)超應(yīng)力時(shí)，那么其延性就會(huì)允許整個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌事故。因此，框架結(jié)構(gòu)常被視為最好的高層抗震結(jié)構(gòu)。 另一方面，設(shè)計(jì)得好的剪力墻結(jié)構(gòu)也不可能倒塌。 對(duì) 于混凝土框架結(jié)構(gòu)，還存在較大的分歧。的確。如果在混凝土框架設(shè)計(jì)時(shí)不進(jìn)行特殊的延性設(shè)計(jì)，那么他將很難承受比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值大很多倍的地震荷載的沖擊。因此，很多人認(rèn)為它不具備鋼框架所具備的超載能力。不過(guò)最新的研究 i 和實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)混凝土中放入充分的鋼箍和節(jié)點(diǎn)鋼筋時(shí) ，混凝土框架框架也能表現(xiàn)出很好的延性。新建筑規(guī)范對(duì)所謂延性混凝土框架有專門的規(guī)定。然而，這些規(guī)范往往要求在框架的某處增設(shè)過(guò)多的鋼筋，這就增加了施工的難度。盡管這樣，混凝土框架設(shè)計(jì)還是具備既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的特性。 當(dāng)然，還可以在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié) 構(gòu)結(jié)合起來(lái)使用。例如，在房屋建筑上使用框架，而在另一方向上可以使用剪力墻。 抗側(cè)向荷載的結(jié)構(gòu)體系 如果忽略一些與建筑材料密切相關(guān)的概念不談，高層建筑里最為常用的結(jié)構(gòu)體系便可分為如下幾類： 1．抗彎矩框架。 2．支撐框架，包括偏心支撐框架。 3．剪力墻，包括鋼板剪力墻。 4．筒中框架。 5．筒中筒結(jié)構(gòu)。 6．核心交互結(jié)構(gòu)。 7．框格體系或束筒體系。 特別是由于最近趨向于更復(fù)雜的建筑形式，同時(shí)也需要增加剛度以抵抗幾力和地震力，大多數(shù)高層建筑都具有由框架、支撐構(gòu)架、剪力墻和相關(guān)體系相結(jié)合而構(gòu)成的體系。而且，就較高 的建筑物而言，大多數(shù)都是由交互式構(gòu)件組成三維陳列。 將這些構(gòu)件結(jié)合起來(lái)的方法正是高層建筑設(shè)計(jì)方法的本質(zhì)。其結(jié)合方式需要在考慮環(huán)境、功能和費(fèi)用后再發(fā)展，以便提供促使建筑發(fā)展達(dá)到新高度的有效結(jié)構(gòu)。這并不是說(shuō)富于想象力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就能夠創(chuàng)造出偉大建筑。正相反，有許多例優(yōu)美的建筑僅得到結(jié)構(gòu)工程師適當(dāng)?shù)闹С志捅粍?chuàng)造出來(lái)了，然而，如果沒(méi)有 天賦甚厚的建筑師的創(chuàng)造力的指導(dǎo)，那么，得以發(fā)展的就只能是好的結(jié)構(gòu)，并非是偉大的建筑。無(wú)論如何，要想創(chuàng)造出高層建筑真正非凡的設(shè)計(jì)，兩者都需要最好的。 抗彎矩框架也許是低，中高度的建筑中常用 的體系，它具有線性水平構(gòu)件和垂直構(gòu)件在接頭處基本剛接之特點(diǎn)。這種框架用作獨(dú)立的體系，或者和其他體系結(jié)合起來(lái)使用，以便提供所需要水平荷載抵抗力。對(duì)于較高的高層建筑，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)該本系不宜作為獨(dú)立體系，這是因?yàn)樵趥?cè)向力的作用下難以調(diào)動(dòng)足夠的剛度。 支撐框架實(shí)際上剛度比抗彎矩框架強(qiáng)，在高層建筑中也得到更廣泛的應(yīng)用。這種體系以其結(jié)點(diǎn)處鉸接或則接的線性水平構(gòu)件、垂直構(gòu)件和斜撐構(gòu)件而具特色，它通常與其他體系共同用于較高的建筑，并且作為一種獨(dú)立的體系用在低、中高度的建筑中。尤其引人關(guān)注的是，在強(qiáng)震區(qū)使用偏心支撐框架。 此外 ，可以利用 STRESS， STRUDL，或一系列二維或三維計(jì)算機(jī)分析程序中的任何一種進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。另外，初步分析中常用中心距尺寸。 剪力墻在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系剛性的發(fā)展過(guò)程中又前進(jìn)了一步。該體系的特點(diǎn)是具有相當(dāng)薄的，通常是（而不總是）混凝土的構(gòu)件，這種構(gòu)件既可提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又可提供建筑物功能上的分隔。 在高層建筑中，剪力墻體系趨向于具有相對(duì)大的高寬經(jīng)，即與寬度相比，其高度偏大。由于基礎(chǔ)體系缺少應(yīng)力，任何一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗傾覆彎矩的能力都受到體系的寬度和構(gòu)件承受的重力荷載的限制。由于剪力墻寬度狹狹窄受限，所以需要以某種方 式加以擴(kuò)大，以便提從所需的抗傾覆能力。在窗戶需要量小的建筑物外墻中明顯地使用了這種確有所需要寬度的體系。 鋼結(jié)構(gòu)剪力墻通常由混凝土覆蓋層來(lái)加強(qiáng)以抵抗失穩(wěn)，這在剪切荷載大的地方已得到應(yīng)用。這種體系實(shí)際上比鋼支撐經(jīng)濟(jì)，對(duì)于使剪切荷載由位于地面正上方區(qū)域內(nèi)比較高的樓層向下移特別有效。這種體系還具有高延性之優(yōu)點(diǎn)，這種特性在強(qiáng)震區(qū)特別重要。 由于這些墻內(nèi)必然出同一些大孔，使得剪力墻體系分析變得錯(cuò)綜復(fù)雜?？梢酝ㄟ^(guò)桁架模似法、有限元法，或者通過(guò)利用為考慮剪力墻的交互作用或扭轉(zhuǎn)功 能設(shè)計(jì)的專門計(jì)處機(jī)程序進(jìn)行初步分析。 框架或 支撐式筒體結(jié)構(gòu)： 框架或支撐式筒體最先應(yīng)用于 IBM 公司在 Pittsburgh 的一幢辦公樓，隨后立即被應(yīng)用于紐約雙子座的 110 層世界貿(mào)易中心摩天大樓和其他的建筑中。這種系統(tǒng)有以下幾個(gè)顯著的特征：三維結(jié)構(gòu)、支撐式結(jié)構(gòu)、或由剪力墻形成的一個(gè)性質(zhì)上差不多是圓柱體的閉合曲面，但又有任意的平面構(gòu)成。由于這些抵抗側(cè)向荷載的柱子差不多都被設(shè)置在整個(gè)系統(tǒng)的中心，所以整體的慣性得到提高，剛度也是很大的。 在可能的情況下，通過(guò)三維概念的應(yīng)用、二維的類比，我們可以進(jìn)行筒體結(jié)構(gòu)的分析。不管應(yīng)用那種方法，都必須考慮剪力滯后的影響。 這 種最先在航天器結(jié)構(gòu)中研究的剪力滯后出現(xiàn)后，對(duì)筒體結(jié)構(gòu)的剛度是一個(gè)很大的限制。這種觀念已經(jīng)影響了筒體結(jié)構(gòu)在 60 層以上建筑中的應(yīng)用。設(shè)計(jì)者已經(jīng)開發(fā)出了很多的技術(shù)，用以減小剪力滯后的影響，這其中最有名的是桁架的應(yīng)用?？蚣芑蛑问酵搀w在 40 層或稍高的建筑中找到了自己的用武之地。除了一些美觀的考慮外，桁架幾乎很少涉及與外墻聯(lián)系的每個(gè)建筑功能，而懸索一般設(shè)置在機(jī)械的地板上，這就令機(jī)械體系設(shè)計(jì)師們很不贊成。但是，作為一個(gè)性價(jià)比較好的結(jié)構(gòu)體系，桁架能充分發(fā)揮它的性能，所以它會(huì)得到設(shè)計(jì)師們持續(xù)的支持。由于其最佳位置正取決于所 提供的桁架的數(shù)量，因此很多研究已經(jīng)試圖完善這些構(gòu)件的位置。實(shí)驗(yàn)表明：由于這種結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性并不十分受桁架位置的影響，所以這些桁架的位置主要取決于機(jī)械系統(tǒng)的完善，審美的要求。 筒體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能使外墻中的柱具有靈活性，用以抵抗顛覆和剪切力?！巴仓型病边@個(gè)名字顧名思義就是在建筑物的核心承重部分又被包圍了第二層的一系列柱子，它們被當(dāng)作是框架和支撐筒來(lái)使用。配置第二層柱的目的是增強(qiáng)抗顛覆能力和增大側(cè)移剛度。這些筒體不是同樣的功能，也就是說(shuō)，有些筒體是結(jié)構(gòu)的，而有些筒體是用來(lái)支撐的。 在考慮這種筒體時(shí)，清楚的認(rèn)識(shí)和區(qū)別 變形的剪切和彎曲分量是很重要的，這源于對(duì)梁的對(duì)比分析。在結(jié)構(gòu)筒中，剪切構(gòu)件的偏角和柱、縱梁（例如：結(jié)構(gòu)筒中的網(wǎng)等）的彎曲有關(guān)，同時(shí)，彎曲構(gòu)件的偏角取決于柱子的軸心壓縮和延伸 （例如：結(jié)構(gòu)筒的邊緣等）。在支撐筒中，剪切構(gòu)件的偏角和對(duì)角線的軸心變形有關(guān)，而彎曲構(gòu)件的偏角則與柱子的軸心壓縮和延伸有關(guān)。 根據(jù)梁的對(duì)比分析，如果平面保持原形（例如：厚樓板），那么外層筒中柱的軸心壓力就會(huì)與中心筒柱的軸心壓力相差甚遠(yuǎn)，而且穩(wěn)定的大于中心筒。但是在筒中筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)發(fā)展到極限時(shí)，內(nèi)部軸心壓力會(huì)很高的，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外部的柱 子。這種反常的現(xiàn)象是由于兩種體系中的剪切構(gòu)件的剛度不同。這很容易去理解，內(nèi)筒可以看成是一個(gè)支撐（或者說(shuō)是剪切剛性的）筒，而外筒可以看成是一個(gè)結(jié)構(gòu)（或者說(shuō)是剪切彈性的）筒。 出處： 土木工程英語(yǔ)，科學(xué)出版社，張倩主編