高層建筑結(jié)構(gòu)分析探討

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摘要：高層建筑結(jié)構(gòu)隨著時(shí)代的發(fā)展，規(guī)模和投資力度都大大增加，高層建筑的設(shè)計(jì)也變得越來(lái)越重要，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也成為結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)工作的主要重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文就高層建筑的發(fā)展，介紹了概念設(shè)計(jì)的一些知識(shí)，并通過(guò)對(duì)高層建筑受力特點(diǎn)的分析，探討了高層建筑結(jié)構(gòu)中概念設(shè)計(jì)的有關(guān)問(wèn)題。 

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)、概念設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)特點(diǎn)  一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)  1.水平荷載成為決定因素。一方面，因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對(duì)某一定高度樓房來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。  2.軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整；另外對(duì)構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會(huì)得出偏于不安全的結(jié)果。  3.側(cè)移成為控制指標(biāo)。與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。  4.結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。  二、概念設(shè)計(jì)  1.概念設(shè)計(jì)的含義及其重要性  概念設(shè)計(jì)是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和建筑師的一種能力的印證，它需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和建筑師們?cè)谶M(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，有效的把握建筑的結(jié)構(gòu)體系，不經(jīng)過(guò)計(jì)算，就能從整體的角度對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震措施進(jìn)行指導(dǎo)，僅從平面和立面的形式就可以對(duì)設(shè)計(jì)空間綜合的進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而使最后的空間定形，無(wú)論是在功能要求，還是形式的需要方面都能與所設(shè)計(jì)的平、立面形式相吻合。當(dāng)然，如果建筑師或者結(jié)構(gòu)工程師想要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，他們首先就需要深刻的理解高層建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)作用、地震作用、場(chǎng)地土特征、結(jié)構(gòu)的真實(shí)效應(yīng)還有地震作用等以及其他的一些相關(guān)的基本概念。  計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)一體化在現(xiàn)代社會(huì)基本上已經(jīng)進(jìn)入了全面應(yīng)用的階段，但是大部分工程設(shè)計(jì)師卻沒(méi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)結(jié)果明顯不合理甚至還會(huì)存在很多的錯(cuò)誤，尤其是現(xiàn)在大部分的工程師都是上世紀(jì)成就的人才，他們的年齡與大學(xué)中學(xué)到的那些孤立的概念已經(jīng)與現(xiàn)代社會(huì)脫軌了，如果繼續(xù)一味的根據(jù)自己曾經(jīng)的知識(shí)來(lái)判斷現(xiàn)代的建筑結(jié)構(gòu)，根本不會(huì)有什么創(chuàng)新的結(jié)果。概念設(shè)計(jì)就是展示先進(jìn)思想的關(guān)鍵，工程師可以根據(jù)自己對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的把握，有意識(shí)的處理好結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)，還有結(jié)構(gòu)與構(gòu)件之間的關(guān)系，在特定的空間中，用整體的設(shè)計(jì)概念來(lái)完成結(jié)構(gòu)的總體方案。概念設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論中存在的許多缺陷，還能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)存在的許多無(wú)法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。  2.結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的原則  在進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該遵循的第一個(gè)原則就是全面考慮的原則，要巨無(wú)細(xì)遺的考慮到建筑設(shè)計(jì)中的方方面面，包括建筑結(jié)構(gòu)和施工方面的考慮，從整體到局部都要進(jìn)行很好的把握，更不能忽視他們之間的關(guān)系，還有建筑完成后帶給使用者在視覺(jué)感受、功能使用方面、成本預(yù)算方面等的考慮。  從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡赜蛐蕴攸c(diǎn)，根據(jù)建筑即將坐落地區(qū)的自然條件、人文條件、歷史文化、資源和材料限制等方面從現(xiàn)實(shí)的角度考慮建筑的結(jié)構(gòu)概念。  高層建筑擁有自己的自重特點(diǎn)，要從減輕自重的原則出發(fā)，建筑結(jié)構(gòu)所承受的荷載大部分都是來(lái)自建筑物本身的自重，減輕自重也就減輕了結(jié)構(gòu)的負(fù)荷。要讓建筑結(jié)構(gòu)合理受力，荷載均勻分布，多跨連續(xù)、空間作用、剛性連接、超靜定的受理系統(tǒng)都可以使結(jié)構(gòu)的受力狀況均勻分布，分析結(jié)構(gòu)的受力狀況時(shí)，還要從各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的直接受力狀況和整體結(jié)構(gòu)的宏觀受力狀況分析。材料盡可能的選用以軸向應(yīng)力為主的受力狀態(tài)，合理的組織構(gòu)件的截面。  優(yōu)先選型，就是要優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)實(shí)際條件優(yōu)化選擇合適的基本構(gòu)件，并確定他們的聯(lián)系，確定構(gòu)件的基本支撐做法。  3.高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)  所謂的高層建筑，我們完全看以把它想成是一個(gè)從地面拋向空中的懸臂掛件，它的高度就決定了這種建筑承受的水平的和豎向的荷載都要強(qiáng)于一般建筑物，對(duì)他的抗彎矩和抗剪力的能力在概念設(shè)計(jì)階段就要考慮細(xì)致，高層建筑特殊的受力特點(diǎn)不同于低層建筑，高度越高，水平荷載越強(qiáng)，例如地震和風(fēng)力產(chǎn)生的作用就會(huì)越強(qiáng)，因此在地震強(qiáng)區(qū)若想建造高層建筑，就必須要保證所有的結(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)細(xì)部都具有足夠的剛度和強(qiáng)度，還必須具有很強(qiáng)的抗震能力。  在框架結(jié)構(gòu)體系中，梁柱的節(jié)點(diǎn)是這種結(jié)構(gòu)體系的組合點(diǎn)，因此在增強(qiáng)抗震能力的環(huán)節(jié)中，節(jié)點(diǎn)也就成了關(guān)鍵部件，如果梁柱節(jié)點(diǎn)遭到破壞，那么框架結(jié)構(gòu)的剪切脆性就會(huì)破壞，在節(jié)點(diǎn)處相交的梁和柱就會(huì)失效，“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”、“強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)原則，可以保證框架結(jié)構(gòu)體系在地震的壓力下還能保證足夠強(qiáng)的延性和承載力，構(gòu)造配筋、柱的軸壓比，還有截面尺寸的選擇，都可以影響到框架結(jié)構(gòu)的抗震能力，尤其是對(duì)于節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施。  建筑的平面形狀也在很大程度上影響著建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，平面形狀越規(guī)正，抗震能力就會(huì)越強(qiáng)，所以在進(jìn)行高層建筑時(shí)，盡可能的避免過(guò)大的外延或者是內(nèi)收。剪重比是為了考慮結(jié)構(gòu)的抗震分析中高階振形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，《建筑抗震技術(shù)規(guī)范》以強(qiáng)制性的條文對(duì)結(jié)構(gòu)各樓層水平地震作用下的最小剪力提出了要求。  三、高層建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)  由于高層建筑物建造過(guò)程及使用過(guò)程中受到的影響因素，與其它普通建筑物或者低層建筑物受到的影響程度和影響因素不同，所以，對(duì)于高層建筑的設(shè)計(jì)必須掌握高層建筑物的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，有針對(duì)性的，科學(xué)的制定建筑設(shè)計(jì)方案。  一方面，對(duì)具有一定的高度的建筑物來(lái)說(shuō)，豎向荷載基本上是一個(gè)定值。然而地震和風(fēng)荷載的作用數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性的不同產(chǎn)生不同幅度的變化。其次，縱向的變形是不能忽視的，必須得到重視。因?yàn)樵诟邔咏ㄖ锂?dāng)中，建筑物的豎向荷載的數(shù)值非常大。較大的豎向荷載數(shù)值會(huì)在柱中引起較大的軸向變形。也就會(huì)間接造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小。再次，高樓的結(jié)構(gòu)更柔和會(huì)讓高樓結(jié)構(gòu)在地震的作用下發(fā)生更大的變形。為了讓建筑物可以具有較強(qiáng)的變形能力，避免建筑物發(fā)生倒塌，就需要在結(jié)構(gòu)上采取恰當(dāng)?shù)姆绞剑瑏?lái)確保建筑結(jié)構(gòu)可以具有足夠的變形能力。  結(jié)語(yǔ)  由此可以看出，我們必須依照高層建筑物自身的特點(diǎn)有針對(duì)性的進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)。只有這樣才可以確保工程可以在正確的指引下逐漸完成，并且可以從最基本的方面提高建筑質(zhì)量。  人們從開(kāi)始建筑設(shè)計(jì)開(kāi)始，就不斷的在進(jìn)行實(shí)踐活動(dòng)，雖然會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，但也正是在解決這些問(wèn)題的過(guò)程中，人類才會(huì)不斷進(jìn)步，關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)，無(wú)論是在設(shè)計(jì)，還是在計(jì)算方面都是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，這就要求設(shè)計(jì)師既要有扎實(shí)的理論功底，還要有具體的實(shí)踐基礎(chǔ)，再加上一定的概念設(shè)計(jì)，只有這樣才可以設(shè)計(jì)出美觀、使用、高效，又具有創(chuàng)造性的高層建筑。