淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑日漸普遍，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題也日益被人們所重視。本文圍繞高層建筑的特點(diǎn)，以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為中心，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)做出了解析，分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的一些問(wèn)題，提出了各種體系相對(duì)應(yīng)的方法，為高層建筑設(shè)計(jì)提出了參考。為實(shí)際高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)提了一些建議。 

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)  目前我國(guó)高度在104米以上的建筑已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了100幢，可見(jiàn)高層建筑的普及趨勢(shì)，在建筑的“增高”過(guò)程中，側(cè)移和內(nèi)力隨著結(jié)構(gòu)高度增加而急劇增加，當(dāng)高層建筑達(dá)到一定高度時(shí)，側(cè)向位移力很大，這就大幅度提高了對(duì)設(shè)計(jì)的要求，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到建筑的質(zhì)量。  1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)  1.1 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。  1.2 側(cè)移是控制的度量尺  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)。  1.3 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?，?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。  1.4 水平荷載的決定性作用  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。  1.5 抗震設(shè)計(jì)要求  抗震設(shè)計(jì)要求更高有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。  2 幾種高層建筑結(jié)構(gòu)常見(jiàn)體系  2.1 簡(jiǎn)體體系  凡采用簡(jiǎn)體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)體體系，包括單簡(jiǎn)體、簡(jiǎn)體—框架、筒中筒、多束筒等多種型式。簡(jiǎn)體是一種空間受力構(gòu)件，分實(shí)腹筒和空腹筒兩種類型。實(shí)腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開(kāi)孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。筒體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，多應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。  2.2 筒體結(jié)構(gòu)  當(dāng)結(jié)構(gòu)層數(shù)多、高度大、抗震要求高時(shí)，常規(guī)三種結(jié)構(gòu)型式往往不能滿足要求，這種情況下，可以將剪力墻集中配置為薄壁筒體；框架轉(zhuǎn)化為密柱的框筒，它們類似于豎向懸臂箱形截面梁，具有很大的強(qiáng)度和剛度。這種由一個(gè)或多個(gè)筒體(薄壁筒或框筒)來(lái)承受水平荷載的結(jié)構(gòu)，稱為筒體結(jié)構(gòu)。  2.3 框架—剪力墻體系  當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時(shí)，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來(lái)代替部分框架，便形成了框架—剪力墻體系。在承受水平力時(shí)，框架和剪力墻通過(guò)有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力?？蚣?mdash;剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置，增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時(shí)框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架—剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。  2.4 框架結(jié)構(gòu)  框架結(jié)構(gòu)由桿件(梁、柱)剛性連結(jié)而成，它布置靈活，能形成較大的室內(nèi)空間，使用比較方便。由于框架梁柱截面較小、對(duì)強(qiáng)烈地震的抵抗能力較差，容易產(chǎn)生嚴(yán)重震害，加之剛度小、側(cè)移大，填充砌體墻和室內(nèi)裝飾也容易損壞、倒塌，震害修復(fù)費(fèi)用很高，因而它主要用于無(wú)抗震設(shè)防要求、層數(shù)較少的建筑中，在地震區(qū)盡可能不用。  2.5 剪力墻體系  當(dāng)受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時(shí)，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu)，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強(qiáng)度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強(qiáng)，是一種良好的結(jié)構(gòu)體系，能建高度大于框架或框架—剪力墻體系。  3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析和方法  3.1 對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的分析  3.1.1 短肢剪力墻的設(shè)置問(wèn)題  在新規(guī)范中，對(duì)墻肢截面高厚比為 5～8 的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制，因此，在高層建筑設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設(shè)計(jì)工作增加不必要的麻煩。  3.1.2 嵌固端的設(shè)置問(wèn)題  由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個(gè)問(wèn)題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來(lái)的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級(jí)的一致性。  3.1.3 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問(wèn)題  新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動(dòng)，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。”因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。  3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議  3.2.1 重視設(shè)計(jì)概念  在建筑的堅(jiān)固性上，由于高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，發(fā)生地震時(shí)地震運(yùn)動(dòng)不確定，人們對(duì)地震時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的認(rèn)識(shí)有很大的局限性和模糊性，加之材料性能與施工安裝時(shí)變異性以及其他不可預(yù)測(cè)的因素，致使設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際相差較大，甚至有些作用效應(yīng)至今尚無(wú)法定量計(jì)算出來(lái)。因此，在設(shè)計(jì)中，雖然分析計(jì)算是必須的，但僅此往往不能滿足結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的要求，不能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，還必須非常重視概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)是通過(guò)無(wú)數(shù)的事故分析、歷年來(lái)國(guó)內(nèi)外震害分析、模擬試驗(yàn)的定量、定性分析以及長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)與使用分析、歸納、總結(jié)出來(lái)的，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員運(yùn)用所掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，從宏觀上決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問(wèn)題。如，結(jié)構(gòu)方案要根據(jù)建筑使用功能、房屋高度、地理環(huán)境、施工技術(shù)條件和材料供應(yīng)情況、有無(wú)抗震設(shè)防，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型；分析豎向荷載、風(fēng)荷載及地震作用對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)及傳遞途徑；分析結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)制和過(guò)程，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)承載力和剛度在平面內(nèi)及沿高度盡量均勻分布，避免突變和應(yīng)力集中，有利于防止薄弱的子結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞、倒塌，使地震作用能在各子結(jié)構(gòu)之間重分布，充分發(fā)揮整個(gè)結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用等。  3.2.2 選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖  結(jié)構(gòu)計(jì)算式在計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計(jì)算簡(jiǎn)圖選用不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的事故常常發(fā)生，所以選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計(jì)算簡(jiǎn)圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來(lái)保證。實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的鉸結(jié)點(diǎn)和剛結(jié)點(diǎn)，但與計(jì)算簡(jiǎn)圖的誤差應(yīng)在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。  3.2.3 合理選擇構(gòu)方案  一個(gè)合理的設(shè)計(jì)必須選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，也就是要選擇一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)系應(yīng)受力明確，傳力簡(jiǎn)捷。同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系，地震區(qū)應(yīng)力求平面和豎向規(guī)則?？偠灾?，必須對(duì)工程的設(shè)計(jì)要求、材料供應(yīng)、地理環(huán)境、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行多方案比較，擇優(yōu)選用。  4 結(jié)語(yǔ)  綜上所述，隨著城市化發(fā)展以及建筑用地的緊張，高層建筑將日益增多。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要工程師在設(shè)計(jì)中不斷地創(chuàng)新，不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，考慮設(shè)計(jì)的各個(gè)因素，為建筑界的發(fā)展交上完美的答卷。  參考文獻(xiàn)：  [1]呂楊 淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 2001  [2]趙明華 如何對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析之探析 2010  [3]黃曉梅 著重探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2010