论高层结构的水平位移控制

摘要：高层建筑的受力特征表现为水平荷载组合起控制作用，即通常所说的地震作用或风荷载组合起控制作用。在承载能力极限状态下，建筑结构以构件强度破坏或者失稳为判断标准，而正常使用极限状态下，建筑结构或其构件变形超过规定值为控制标准，而本文探讨的正是正常极限状态下高层建筑水平位移及位移比的控制要求。

关键词：高层；位移控制；位移比控制

《民用建筑设计通则》（GB 50352—2005）、《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-95）将10层及10层以上的住宅建筑和高度超过24m的公共建筑和综合性建筑划称为高层建筑。

一、高层建筑位移控制的必要性

高层建筑在水平地震作用或者风荷载作用下，将产生水平位移和振动。当水平位移、振动频率及振动周期超过舒适度极限值时，人作为建筑物的使用主体表现的不安和恐慌。尽管判断舒适度的标准有多种，但目前采用最多的是建筑的最大加速度，风荷载或地震作用的加速度越大，舒适度越低。根据振动舒适度的烦恼率设计理论研究以及统计分析知，人所受的加速度是有限的，常人在3g的加速度条件下就会产生严重的头晕恶心呕吐症状，在5g条件下心脑血管会严重受损有生命危险。基于这一舒适度要求，得出对应的加速度和对应的高层最大位移控制要求、最大层间位移比要求和周期比限制。

《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010》5.4.1-5.4.2规定，高层建筑在质量或者刚度偏心情况下，应考虑P-Δ效应。P-Δ效应又称为重力二阶效应是指由于结构的水平变形而引起的重力附加效应，可称之为重力二阶效应，结构在水平力（风荷载或水平地震力）作用下发生发生水平位移，水平位移与重力荷载乘积为倾覆力矩，倾覆力矩越大，水平位移越大，重力二阶效应越显著。当结构水平位移超过层间位移角限值时，结构可能因重力二阶效应而发生承载能力界限状态下的强度和失稳破坏。当结构发生水平位移时，建筑物质量中心和刚度中心不重合，若本身自带偏心，此时P-Δ效应加剧。加剧的P-Δ效应又使得位移增大，而增大的位移又使得P-Δ效应加剧，两者形成恶性循环，可能达到建筑物的承载能力极限状态从而导致强度破坏或者失稳。

二、高层建筑水平位移控制标准及计算原理

在水平荷载作用下，高层建筑应对最大位移进行控制。多高层建筑结构应具有必要的刚度，在正常使用条件下限制建筑结构层间位移的主要目的有两个：首先保证结构主体构件如剪力墙、柱、梁板、基础裂缝控制在规范强制性限值内，抗震设防烈度下或者设计风荷载作用下破坏程度为小修或者不修。第二，保证非结构构件（如门窗、填充墙、玻璃幕墙、局部装饰构件等）在抗震设防烈度下或者设计风荷载作用下破坏可修。

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ-2010和《建筑抗震设计规范》GB50011-2010均规定，各类结构多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移Δue应不大于弹性层间位移角限值与计算楼层层高之乘积[θe]h，弹性层间位移角限值[θe]见下表。

第i层的Δu/h指第i层和第i-1层在楼层平面各处位移差Δu不扣除整体弯曲变形。由于多高层建筑结构在水平力（水平地震作用或风荷载）作用下几乎都会产生扭转，所以Δu的最大值一般在结构单元的边角部位。

高层建筑结构的水平地震作用下最大位移，应在单向水平地震作用时不考虑偶然偏心的影响，采用考虑扭转藕联振动影响的振型分解反应谱法进行计算，并应采用刚性楼板假定。

风荷载作用下，荷载分布呈倒三角形。风荷载具有静力和动力作用的双重特点，其静力部分称为稳定风，动力部分称为脉动风。脉动风的作用会引起高层建筑的振动（简称风振）这在高层建筑结构抗风设计中必须加以考虑的。风载的大小的影响因素：主要和近地风的性质、风速、风向有关；和该建筑物所在地的地貌及周围环境有关；同时和建筑物本身的高度、形状以及表面状况有关。

地震作用下，建筑变形以剪切变形为主（如多层框架结构）时，水平地震作用计算近似采用底部剪力法。此时每层楼集中看作一个质点，地震作用按质点分配。以弯曲和剪切变形为主的结构，应采用振型分解反应谱法或者弹性时程分析法计算，此时建筑物每个楼层质点的未知量变为x，y，z三个，三者应进行振型分解组合，或输入地震动曲线进行动力时程分析。

三、影响高层建筑最大位移的因素

1.建筑平面布局的规则性。建筑平面布置越规则，质量中心与刚度中心越靠近甚至重合，水平荷载作用下，偏心矩越小，倾覆力矩越大，水平位移越大。建筑平面不规则包括平面布局不规则和刚度分布不规则，建筑平面不宜有较大开洞，开洞率应控制在一定范围内。

2.楼层高度。高层建筑物风荷载组合通常起控制作用。风荷载的竖向分布呈倒三角形风荷载标准值随着楼层的高度增加而增大，楼层越高，风荷载标准值越大。楼层越高，风荷载产生的晃动和水平位移越大，故应控制建筑总高，若总高超过规范要求，应采取风洞试验和抗风防风设计。

3.结构形式。高层建筑结构形式有框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框架核心筒结构、框支剪力墙结构、筒中筒结构等形式。结构越柔，位移越大，结构越刚，位移越小。如：相同建筑总高情况下，框架结构位移大于剪力墙结构。随着建筑物总高的增加，应增加剪力墙截面和数量，超高层结构宜选择筒中筒结构。

4.地震作用大小。地震作用分为水平地震作用和竖向地震作用，竖向地震作用通常在长悬臂构件或者高烈度地区参与内力组合，且竖向地震产生的位移为竖向位移。大多数情况仅需考虑水平地震作用组合即可满足设计要求。水平地震作用产生水平位移，震源越浅，震中距越小，地震作用越大，产生的位移越大。所以，水平地震作用下的高层建筑最大水平位移大小抗震设防烈度有关。

综上所述，控制高层建筑水平位移的大小，同一地区抗震设防烈度相同的情况下，应谨慎选择楼层总高和结构形式，建筑平面宜对称规则，减少偏心。若应建筑设计需求不能达到上述要求时，应采取措施保证结构位移值控制在规范强制性规定值范围内，以满足正常使用极限状态下人对建筑物舒适度的要求。

参考文献：

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[3]项海帆，瞿伟廉；高层建筑风振控制基于规范的实用设计方法[J].振动工程学报；2013年02期

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部；《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010；中国建筑工业出版社。

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部；《建筑抗震设计规范》GB50011-2010；中国建筑工业出版社。

作者简介：肖晓芳，女，工学学士，助教，国家二级注册结构工程师，2006年毕业于广西工学院（现广西科技大学）土木工程专业，现就职于重庆应用技术职业学院建筑工程系。