高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及高層建筑結(jié)構(gòu)體系

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近些年來(lái)，建筑業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中的高層建筑越來(lái)越廣泛。它以其高度強(qiáng)烈地影響著規(guī)劃、設(shè)計(jì)、構(gòu)造和使用功能。就結(jié)構(gòu)特性而言，高層建筑是必須著重考慮水平荷載和豎向荷載組合影響的建筑物。設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)，它的結(jié)構(gòu)除在上述荷載組合下的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性應(yīng)予以保證外，還必須控制由風(fēng)荷載（或地震水平作用）所產(chǎn)生的側(cè)向位移，防止由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的和非結(jié)構(gòu)性材料的破壞；控制由風(fēng)荷載造成頂部樓層的加速度反應(yīng)，以使用戶對(duì)擺動(dòng)的感覺(jué)和不舒適感降到最低程度。這就需要設(shè)計(jì)師從一開(kāi)始就應(yīng)該以一個(gè)立體的概念設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)。

　　一、高層結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

　?。ㄒ唬└邔咏Y(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的三維層次

　　把房屋看成一個(gè)三維空間塊體分層次來(lái)分析，對(duì)于復(fù)雜的高層，例如多塔機(jī)構(gòu)也可以把它分成幾塊，分別研究其傾覆、剛度、承載力等問(wèn)題，然后組合起來(lái)。首先，在方案階段（I），可以把基本設(shè)計(jì)方案概念化，建立一個(gè)符合建筑空間三維形式的結(jié)構(gòu)方案。在該階段分析總結(jié)構(gòu)體系的荷載和抗力關(guān)系；高寬比與抗傾覆；承載力和剛度；并預(yù)估基本分體系的相互關(guān)系。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)必然是由一些平面單元組成，因此在初步設(shè)計(jì)階段（Ⅱ），要擴(kuò)展方案，把那些體現(xiàn)初步設(shè)計(jì)基本要求的、主要是二維的平面體系包括進(jìn)來(lái)，進(jìn)行基本水平和豎向分體系的總體設(shè)計(jì)，從而得到主要構(gòu)件及其相互的關(guān)系。而在最后的第Ⅲ階段，即施工圖設(shè)計(jì)階段，處理一維的構(gòu)件設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)所有分體系的構(gòu)件、連接和構(gòu)造詳圖，對(duì)第Ⅱ階段做出的粗略決定進(jìn)行細(xì)化。

　　對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)，可以設(shè)想成為一個(gè)從地基升起的豎向懸壁構(gòu)件，承受水平側(cè)向荷載和豎向重力荷載的作用。側(cè)向荷載是由風(fēng)吹向建筑物引起的水平壓力和水平吸力，或者是由地震時(shí)地面晃動(dòng)引起的水平慣性力。重力荷載則是建筑物自身的總重力荷載。這些側(cè)向荷載和重力荷載的組合，趨向于既可能將它推倒（受彎曲），又可能將它切斷（受剪切），還可能使它的地基發(fā)生過(guò)大的變形，使整個(gè)建筑物傾斜或滑移。對(duì)抗彎曲而言，結(jié)構(gòu)體系要做到不使建筑物發(fā)生傾覆，其支撐體系的構(gòu)件不致被壓碎、壓屈或拉斷，其彎曲側(cè)移不超過(guò)彈性可恢復(fù)極限；對(duì)抗剪切來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體系要做到不使建筑物被剪斷，其剪切側(cè)移不超過(guò)彈性可恢復(fù)極限；對(duì)地基和基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體系的各支撐點(diǎn)之間不應(yīng)發(fā)生過(guò)大的不均勻變形，地基和地下結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受側(cè)向荷載引起的水平剪力，并不引起水平滑移。由于風(fēng)力和水平地震作用力對(duì)于高層建筑是動(dòng)荷載，使建筑結(jié)構(gòu)抗彎曲和抗剪切時(shí)都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)致建筑物中的人有震動(dòng)的感覺(jué)，使人有不舒服感。如果建筑物晃動(dòng)得太厲害，還會(huì)使非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如玻璃窗、隔墻、裝飾物等）斷裂，甚至危及屋外行人的安全。所以，高層建筑結(jié)構(gòu)要避免過(guò)大的震動(dòng)。例如：在建造機(jī)關(guān)事務(wù)局12層的辦公綜合樓，它長(zhǎng)48m、寬18m、高36m。建筑物兩邊各有9根柱，橫行柱距為18m，縱向柱距為6m，中央有一個(gè)6×12m的電梯和管道井筒?？紤]水平荷載的傳遞有幾種不同方式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案優(yōu)選，分析兩種結(jié)構(gòu)方案：一種為僅由核心筒承受水平力，外柱僅承受大部分豎向荷載，不抵抗水平力，梁和柱鉸接；一種為縱橫兩個(gè)方向柱和梁剛接形成框架，來(lái)抵抗縱橫兩個(gè)方向的水平力。在方案一中：筒井所受的風(fēng)荷載為1.4×6×8=67.2KN/m，豎向荷載近似為15120KN，井簡(jiǎn)墻自重為6×36×（6+12）×2=7776KN，可得抵抗傾覆彎矩的豎向荷載為22896KN。則可計(jì)算出合力偏心矩e=M/G=67.2×36×18/22896=1.9m，超過(guò)核心范圍（6/6=1m），不滿足穩(wěn)定要求。必須加強(qiáng)、加寬基礎(chǔ)或采用下部錨固，才能避免基礎(chǔ)向上抬起。在方案二中：由橫行跨度的框架承擔(dān)全部水平力。因此，在一個(gè)方向風(fēng)荷載作用下，總框架一側(cè)柱子受壓，另一側(cè)柱子受拉，并可近似求得總壓力或拉力為：67.2×36×18/18=2418.2KN，大致由每側(cè)9根柱子平均分擔(dān)2419.2/9=268，8KN/柱<7×3×9×10=1890KN，即比每根柱所承受的恒載小很多，基礎(chǔ)不會(huì)向上抬起。因此方案二比方案一好，應(yīng)采用方案二的結(jié)構(gòu)。

　　二、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

　　通過(guò)受力因素分析，下一步就考慮采用什么結(jié)構(gòu)體系，有下面幾種高層建筑結(jié)構(gòu)體系可供選擇，其結(jié)構(gòu)體系有：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等。根據(jù)其受力特點(diǎn)，結(jié)合高層概念設(shè)計(jì)的三維層次考慮，選取合適的結(jié)構(gòu)體系或其組合體系。

　　（一）框架結(jié)構(gòu)體系

　　由梁、柱、基礎(chǔ)構(gòu)成平面框架，它是主要承重結(jié)構(gòu)，各平面框架再由梁聯(lián)系起來(lái)，形成空間結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可以做成有較大空間的會(huì)議室、餐廳、車間、營(yíng)業(yè)廳、教室等。需要時(shí)，可用隔斷分割成小房間，或拆除隔斷改成大房間，因而使用靈活。外墻采用非承重構(gòu)件，可使立面設(shè)計(jì)靈活多變。但是框架結(jié)構(gòu)本身剛度不大，抗側(cè)力能力差，水平荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的位移，地震荷載作用下較易破壞。不高于15層宜采用框架結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到比較好的經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)。

　　（二）剪力墻結(jié)構(gòu)體系

　　剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)體系。墻體同時(shí)作為維護(hù)及房間分隔構(gòu)件。剪力墻間距一般為3—8m，現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，承載力要求容易滿足，適于建造較高的高層建筑。而且其抗震性能良好，在歷次的地震中，都表現(xiàn)了很好的抗震性能，震害較少發(fā)生，程度也很輕微。但是剪力墻結(jié)構(gòu)間距不能太大，平面布置不靈活，而且不宜開(kāi)過(guò)大的洞口，自重往往也較大，不是很能滿足公共建筑的使用要求，而且其成本也較大。

　?。ㄈ┛蚣芤患袅Y(jié)構(gòu)體系

　　框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系由框架和剪力墻組成。剪力墻作為主要的水平荷載承受的構(gòu)件，框架和剪力墻協(xié)同工作的體系。在框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于剪力墻剛度大，剪力墻承擔(dān)大部分水平力（有時(shí)可以達(dá)到80%~90%），是抗側(cè)力的主體，整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大提高?？蚣軇t承受豎向荷載，提供較大的使用空間，同時(shí)承擔(dān)少部分水平力。由于有了剪力墻，其體系比框架結(jié)構(gòu)體系的剛度和承載力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（隔墻和外墻）的損壞。這樣無(wú)論在非地震區(qū)還是地震區(qū)，都可以用來(lái)建造較高的高層建筑。還可以把中間部分的剪力墻形成簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)，布置在內(nèi)部，外部柱子的布置就可以十分靈活；內(nèi)筒采用滑模施工，外圍的框架柱斷面小、開(kāi)間大、跨度大，很適合現(xiàn)在的建筑設(shè)計(jì)要求。

　?。ㄋ模┩仓泻?jiǎn)結(jié)構(gòu)體系

　　筒中筒結(jié)構(gòu)體系由一個(gè)或多個(gè)簡(jiǎn)體為主抵抗水平力。通常簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)基本形式有三種：實(shí)腹筒、框筒及桁架筒。筒體結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)就是它的空間受力性能。不論哪一種簡(jiǎn)體，在水平力作用下都可看成固定于基礎(chǔ)上的箱形懸壁構(gòu)件，它比單片平面結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)剛度和承載力，并具有良好的抗扭剛度。簡(jiǎn)中筒結(jié)構(gòu)是一種抵抗較大水平力的有效結(jié)構(gòu)體系，但是由于它需要密柱深梁，當(dāng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，可能延性不好，而且造價(jià)昂貴。

　　除了上述的幾種結(jié)構(gòu)體系外，還有其他一些結(jié)構(gòu)體系，如薄殼、膜結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架等。隨著時(shí)代的進(jìn)步，會(huì)涌現(xiàn)出越來(lái)越多更好的結(jié)構(gòu)體系。這就需要不斷學(xué)習(xí)，從各方面考慮運(yùn)用經(jīng)濟(jì)合理的手段到達(dá)目標(biāo)。