浅议高层建筑结构设计中抗震墙结构的一些合理应用

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摘要：本文阐述了高层建筑中混凝土抗震墙的一些受力性能和构造要求，对于混凝土墙肢的稳定性、混凝土结构收缩变形和高大女儿墙等进行了探讨，以供工程设计参考。
关键词：高层建筑；抗震墙和连梁；稳定性；温度变形；
Abstract: this article expounds the concrete in high-rise buildings aseismic walls of some of the mechanical properties and structure, demands for concrete wall of stability, concrete structure segments contraction deformation and tall parapet, etc, the paper discusses the reference for engineering design.
Keywords: high building; Aseismic walls and even the beam; Stability; Temperature deformation;

随着我国经济的飞速发展，建筑工程项目的规模越来越大、技术难度越来越高、结构设计涉及的方面越来越多，特别是建筑设计、施工、使用中的不确定性因素，对结构专业提出了更高的要求。结构工程师不但要严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则，精心设计，应用现代化科技手段，选择合理的结构方案，防止高层建筑在地震时出现倒塌，保证高层建筑的安全性和耐久性；还需要在结构设计阶段就必须把各种不利的因素考虑在内，保证结构具备良好的强度、刚度、稳定性，从整体上改进结构的受力性能。

一、高层建筑中抗震墙墙肢和连梁的设置

1、混凝土抗震墙的延性和破坏形态与墙体的高宽比和超静定次数密切相关
（1）为了提高抗震墙的变形能力,避免发生剪切破坏,对于一道截面较长的抗震墙,应该利用洞口设置弱连梁,使墙体分为若干小开口墙、多肢墙或单肢墙,并使每个墙段的高宽比处于合理范围。
（2）在工程设计中,对连梁的刚度通常进行折减,这是因为抗震墙的刚度一般都很大,在水平力作用下,通过刚度分配抗震墙中的连梁会产生较大内力而超过截面抗力允许值。工程常用的办法是假定让这些连梁先屈服,在连梁支座处产生塑性铰。 要使连梁能形成塑性铰而不发生脆性破坏,连梁首先就必须满足强剪弱弯的要求, 对连梁的刚度进行折减实际上就是在保证不剪切破坏的前提下允许其有一定的耗能变形能力。
2、抗震墙在端部设置暗柱、端柱等边缘构件可以有效改善结构的延性。 这些边缘构件的作用类似于砖混结构的约束柱,当结构的刚度较小,地震作用下层间位移和顶点位移较大时,边缘构件所起的作用也就越大，此时暗柱的截面和配筋就应加大。 如果抗震墙的总截面面积与楼层面积之比值较大,且房屋高度较小、 楼座面积较大时,墙端部的暗柱面积和配筋量就可以适当减小。
3、在钢筋混凝土坑震墙结构中,采用大开间抗震墙还是采用小开间抗震墙必须根据工程具体情况合理确定。大开间抗震墙结构有以下的优点:
（1）相对小开间抗震墙结构,其侧向抗推刚度小,自振周期长,水平地震作用相对较小。
（2）墙体数量少,相应的混凝土用量少,结构自重轻。
（3）墙体的水平和竖向钢筋配置适当时,结构的延性性能显著,地震时能充分发挥墙体的作用;
（4）有效使用空间大,建筑布置灵活。
缺点是：
（1）楼板跨度大,钢筋用量大.
（2）要求设置高效轻质的隔墙,可能会增加一定的技术难度和造价。

二、高层建筑的整体稳定性

对高层建筑来说,在抗震设计中,房屋的高宽比是一个需慎重考虑的问题。近年来出现了许多板式高层住宅, 其立面高度很大而房屋进深尺寸有限,即高宽比超过了规范限值。建筑物的高宽比愈大,也就是说建筑愈瘦高,在地震作用下的侧移就愈大,地震引起的倾覆作用就愈严重,巨大的倾覆力矩在柱中和基础中引起的拉力和压力比较难处理。根据工程经验可以从下面几个方面提高抗震墙结构的稳定性： 
1、对整个建筑进行抗倾覆稳定性验算,使地震作用下的倾覆力矩与相应的重力荷载在基础与地基交界面上的合力作用点,不应超出力矩作用方向抗倾覆构件基础边长的1/4。
2、使基础有足够的埋置深度。 在部分设计图纸上, 有的裙楼和高层主楼从地上到地下用变形缝彻底分开, 导致主楼基础埋深不够或者主楼侧面没有有效约束,地震时会使建筑物发生滑移、整体倾斜甚至倾覆。
3、对于高宽比很大的高层建筑, 建议尽可能采用深基础,如箱形基础、桩筏基础等。对于桩基础而言,桩是埋在土中的细长构件,由于桩土间摩阻力的存在,桩的抗拔性能较好, 从而能有效抵抗上部结构的倾覆弯矩。
4、加大建筑物下部几层的宽度, 使其满足规范高宽比的限值, 但也要尽可能避免形成大底盘建筑 必要时通过设置类似扶壁的钢筋混凝土构件,来增加基础底板的悬挑宽度, 达到扩大基础底面积的效果,从而保证上部结构的稳定。

三、混凝土干缩变形和超长结构的温度变形

混凝土结构设计规范规定,在室内条件下现浇框架结构伸缩缝的最大间距为 55m, 现浇抗震墙结构伸缩缝的最大间距为 45m;在露天条件下,结构伸缩缝的间距还要小,这样规定的目的就是解决两个方面的问题:
1、 现浇混凝土在凝固硬化时会产生收缩应力,以致在结构中形成干缩裂缝,结构越长,干缩的影响越大。
2、 结构在使用其间必然要经过春夏秋冬季节的变化,大气温度的变化会使结构产生热胀冷缩,从而在结构中造成温度裂缝,并且结构越长,温度的影响越大。但是,在实际工程中超长建筑物常常出现。如果按规定去设伸缩缝, 就会出现双墙、双柱、双梁,给建筑物的立面处理，防水构造带来很大的困难。为了解决超长结构混凝土干缩裂缝的问题,目前常常采用的一种办法是设置混凝土后浇带,即将较大的楼板面积划分成小的区格,首先用浇筑各分段区格的混凝土,当分段区格混凝土干缩变形大部分完成后,再浇筑区格之间的预留带。这样能很大程度上减少结构的干缩裂缝。值得注意的是,后浇带不能代替结构的温度伸缩缝，因为后浇带混凝土硬化后,楼板又连接成一个较长的整体。

四、屋面高大混凝土女儿墙的设计

作为结构附属构件，屋顶女儿墙对于高层建筑的作用也不可忽视，其不但影响整体建筑效果，还影响结构的安全性。女儿墙设计时通常难以直接参与主体结构的整体分析，只通过添加女儿墙的自重荷载来简化考虑女儿墙的影响。
女儿墙较高时需精确计算出女儿墙所受水平和竖向荷载值，选用科学合理的力学简化计算模型，当条件允许时应建立包括女儿墙结构的整体计算模型并考虑高层建筑顶层荷载的鞭梢效应。
高层建筑同时承受着较大的竖向和水平荷载作用，随着房屋高度的增加，水平荷载逐渐成为结构设计的控制因素，为保证建筑的抗震性能，需要合理设置抗震墙，使结构在侧向荷载作用下保持良好的延性和耗能能力。同时通过采用合理的结构布置方案，可以优化设计，节省材料用量，减少混凝土的收缩变形，并加强附属构件与主体结构的连接。

参考文献：

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010 中国建筑工业出版社 2010
[2] 混凝土结构设计规范GB50010-2010中国建筑工业出版社2010
[3] 黎燕凌. 高层建筑短肢抗震墙设计分析[J]. 科技风, 2010,(18)