結構高度由什麼決定的?

如果我說結構高度由豎向構件決定的，你一定會說，王大師一定是喝多了，而且喝的還不是茅台，怎麼這麼武斷呢?正确的說法有啊，結構高度由結構體系決定，同時還與結構布置方式、構件耗能能力、抗震等級、地震力大小等等因素有關。

但實際情況呢?你設計一個樓，3-5層，用框架結構;10來層，加上剪力牆，框架-剪力牆結構;50層呢，不但要加剪力牆，還要考慮其布置方式，比如形成筒，還要考慮筒的高寬比。由此，你恍然醒悟，“結構高度是由豎向構件決定的”。

看一下抗規的表6.1.1，8度區，0.2g。框架，梁柱體系，40m高;框架-剪力牆，梁柱體系加上剪力牆，立馬變成100m;筒如果布置得當，比如筒中筒，還可以加個20m。

那橫向構件的作用呢?橫向構件，比如梁的作用是在豎向構件起作用的基礎上對結構高度進行調整。

對照抗規表6.1.2，8度，設計一個30m高的樓。框架，需抗震等級一級，如果延性差點，做成抗震等級二級，隻能做24m高。框架-剪力牆，框架可做成二級，即框架的耗能要求可以降低些，為什麼，因為上了剪力牆，這時“剪力牆”這個豎向構件是主要抗側力構件，框架可以歇歇了;如果進一步做成框架(重力體系)-剪力牆(抗側力體系)，框架可做成四級，真的可以洗洗睡了，雖然抗規沒有這個體系。以上分析說明，“結構高度是由抗側力構件決定的”，進一步可以說，“結構高度由豎向構件決定”。

再看鋼結構，抗規表8.1.1。8度，0.2g。你可能會說，為什麼你隻提8度，因為小于8度，屬于低烈度區，不好意思提抗震。框架，梁和柱，限高90m;框架-支撐，框架還是那個框架，但高度增到了180m，什麼起作用，抗側力構件-支撐;改成偏心支撐，增加了橫向構件-梁的延性，不過增加了20m，高度隻增加了10%;把支撐做成筒，不過才260m，還是200m的數量級。

綜上，強震區，混凝土結構梁柱體系高度是50m數量級，加牆，翻倍到百米;鋼結構梁柱體系的高度是百米量級，加撐，翻倍到200m。因此，要想長得高，就選鋼結構，切記-加撐!

由上文“結構高度由什麼決定的”可知，經引經據典得出結論，“結構高度是由豎向構件決定的”。我想大家對此的感覺是不能說不對，但總覺得缺點什麼。接下來我們就将缺的那部分補上。

我們知道，結構高度限值來源于抗震。如果沒有地震，我們一般不談結構高度限值。隻要自重壓不垮、風刮不倒，結構想蓋多高蓋多高。但地震的出現改變了結構高度的概念，強震區大震下結構要屈服，而結構的延性或耗能能力是有限的，一般來講，地震使結構的延性需求随結構高度的增加而增大，由此産生了抗震結構的高度限值。

縷清了這一點我們就明白結構高度限值與地震下結構的耗能能力有關。結構的耗能能力與水平構件如梁和豎向構件如柱都有關。但梁耗能能力散盡後隻是梁失效，結構還在那。隻有柱耗能能力散盡柱失效後才會出現結構倒塌。所以結構豎向構件決定結構高度的含義實質為豎向構件是保證結構大震不倒的主要力量。那麼為什麼剪力牆的延性沒有框架柱好反而由它構成的結構可以設計的更高呢?這是因為剪力牆側向變形小，結構的二階效應小。這又引出一個概念，“結構的破壞源自構件的承載力失效，而結構的倒塌源自結構二階效應的放大”。

由于抗規的局限性，我們得出了結構高度由豎向構件決定的結論。下面我們通過對美國規範的研究，對這一結論加以補充。下表引自美國荷載規範ASCE/SEI7-16，它詳細規定了各種結構體系的結構高度限值。我們看C類，抗彎框架(相當于抗規的純框架)，1、3、4分别對應鋼結構高延性抗彎框架、中等延性抗彎框架和低延性抗彎框架。

美标的高延性抗彎框架(steelspecial momentframe)，地震時結構進入塑性，考慮強柱弱梁，考慮梁柱節點域抗剪強節點計算，框架梁截面闆件寬厚比要達到一級塑性截面(17鋼标的S1)，要求結構具有1/25的層間位移角轉動能力;中等延性抗彎框架(steelintermediate momentframe)，地震時結構部分進入塑性，不考慮強柱弱梁，不考慮梁柱節點域抗剪計算，框架梁截面闆件寬厚比要達到二級塑性截面(17鋼标的S2)，要求層間位移角轉動能力為1/50;低延性抗彎框架(steelordinary momentframe)，地震時結構基本保持彈性，不考慮強柱弱梁，不考慮梁柱節點域抗剪計算，框架梁截面闆件寬厚比可采用彈性截面(17鋼标的S4)，無層間位移角轉動能力要求。由此可見，抗規的鋼框架僅相當于美标的高延性框架。

從美國荷載規範表12.2-1可見，對于8度區(基本對應于抗震設計分類中的D類)，高延性框架高度不受限，中等延性框架限高為50m(160英尺)，低延性框架限高為10m(35英尺)。這時我們突然發現，前文說的“結構高度是由豎向構件決定的”是不全面的，它僅對應于抗規。對美标來說，由于其擴展了框架的類型，使得大家通常說的“結構高度由結構體系決定”生效。

再看一下中等延性和低延性框架的适用範圍。低烈度區，即抗震設計分類中的B、C類，相當于7度區，這時這兩種結構高度無限制。此時我們恍然大悟，低烈度區可以不按抗規設計成高延性框架，甚至可以設計成彈性框架，這時由于闆件寬厚比、長細比限值的放松，将使應用更延展的梁、柱截面成為可能，使鋼材用量大大降低。

因此，我們可以看到，實際上存在着兩種抗震設計：極限承載力設計和彈性承載力設計。

極限承載力設計用于高烈度區，地震作用下結構進入塑性狀态，結構設計要考慮構件的承載極限強度，構件之間的強度關系要滿足強柱弱梁、強節點弱杆件的要求，是一種能力設計。極限承載力設計是真正的抗震設計。

彈性承載力設計用于低烈度區，地震作用下結構基本保持彈性狀态，結構設計不需考慮構件的承載極限強度，構件之間的強度關系不需滿足強柱弱梁、強節點弱杆件的要求，結構設計僅需像抗風那樣按計算受力進行彈性設計即可。

大家弄清了抗震設計的兩種方法，就可以像美國人一樣，在低烈度區設計出用鋼量低的結構。