高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

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摘要高層建筑是建筑行業(yè)一個(gè)發(fā)展方向,它的意義也非同一般。從高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、布置原則、基礎(chǔ)等方面介紹高層建筑從設(shè)計(jì)到建造的一般過程。最后簡(jiǎn)要闡述高層建筑的發(fā)展趨勢(shì)。 

　　關(guān)鍵詞 高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);發(fā)展趨勢(shì)  　　中圖分類號(hào) TU 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2010)082-0038-01  　　  　　隨著科學(xué)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步,高層建筑如雨后春筍般的出現(xiàn)。從紐約帝國(guó)大廈到世貿(mào)大樓,從上海金茂大廈到上海環(huán)球金融中心,無(wú)一不透出高層建筑的勃勃生命力。高層建筑的高度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力和科技水平,世界著名的建筑更是建筑史上的紀(jì)念碑。但是如果高層建筑因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不清,而造成結(jié)構(gòu)布置不合理,不僅會(huì)造成大量的浪費(fèi),更重要的是給高層建筑留下了結(jié)構(gòu)質(zhì)量的安全隱患。因此高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要了。  　　1 高層建筑結(jié)構(gòu)的布置原則與要求  　　1.1 結(jié)構(gòu)平面布置  　　平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱盡量使質(zhì)心和鋼心重合。偏心大的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大,會(huì)加大端部構(gòu)件的位移,導(dǎo)致應(yīng)力集中。平面突出部分不宜過長(zhǎng)。扭轉(zhuǎn)是否過大,可用概念設(shè)計(jì)方法近似計(jì)算鋼心、質(zhì)心及偏心距后進(jìn)行判斷,還可以比較結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)邊緣處的最大層間變形和質(zhì)心處的層間變形,其比值超過1.1者,可以認(rèn)為扭轉(zhuǎn)太大而結(jié)構(gòu)不規(guī)則。  　　高層建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置,當(dāng)由于使用功能與建筑的要求,結(jié)構(gòu)平面布置嚴(yán)重不規(guī)則時(shí),應(yīng)將其分割成若干比較簡(jiǎn)單、規(guī)則的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。對(duì)于地震區(qū)的抗震建筑,簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱的原則尤為重要。  　　1.2 結(jié)構(gòu)立體布置  　　結(jié)構(gòu)豎向布置最基本的原則是規(guī)則、均勻。  　　規(guī)則,主要是指體型規(guī)則,若有變化,亦應(yīng)是有規(guī)則的漸變。體型沿豎向的劇變,將使地震時(shí)某些變形特別集中,常常在該樓層因過大的變形而引起倒塌。  　　均勻是指上下體型、剛度、承載力及質(zhì)量分布均勻,以及它們的變化均勻。結(jié)構(gòu)宜設(shè)計(jì)成剛度下大上小,自下而上逐漸減小。下層剛度小,將使變形集中在下部,形成薄弱層,嚴(yán)重的會(huì)引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化,也應(yīng)下大上小逐漸變化,不應(yīng)發(fā)生過大的突變。上不樓層收進(jìn)使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生,但是對(duì)于收進(jìn)的尺寸應(yīng)當(dāng)限制。收進(jìn)的部位越高,收進(jìn)后的平面尺寸越小,高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑,造成“頭重腳輕”的狀況,將使扭轉(zhuǎn)反映明顯加大,豎向地震影響也明顯變大。  　　2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)  　　2.1 水平載荷是設(shè)計(jì)的主要因素  　　高層結(jié)構(gòu)總是要同時(shí)承受豎向載荷和水平載荷作用。載荷對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力是隨著建筑物的高度增加而變化的,隨著建筑物高度的增加,水平載荷產(chǎn)生的內(nèi)力和位移迅速增大。  　　2.2 側(cè)向位移是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制因素  　　隨著樓房高度的增加,水平載荷作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)側(cè)移與建筑高度的四次方成正比,設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)要求結(jié)構(gòu)不僅要具有足夠的強(qiáng)度,還要具有足夠的抗推強(qiáng)度,使結(jié)構(gòu)在水平載荷下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在范圍之內(nèi)。  　　2.3 結(jié)構(gòu)延性是重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)  　　高層建筑還必須有良好的抗震性能,做到“小震不壞,大震能修。”為此,要求結(jié)構(gòu)具有較好的延性,也就是說,結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下,當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入屈服階段后具有較強(qiáng)的變形能力,能吸收地震作用下產(chǎn)生能量,結(jié)構(gòu)能維持一定的承載力。  　　2.4 軸向變形不容忽視  　　高層結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的變位是由彎曲變形、軸向變形及剪切變形三項(xiàng)因素的影響疊加求得的。在計(jì)算多層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移時(shí),只考慮彎曲變形,因?yàn)檩S力項(xiàng)影響很小,剪力項(xiàng)一般可不考慮。但對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu),由于層數(shù)多,高度大,軸力值很大,再加上沿高度積累的軸向變形顯著,軸向變形會(huì)使高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生明顯的變化。  　　3 高層建筑的基礎(chǔ)  　　高層建筑的上層結(jié)構(gòu)載荷很大,基礎(chǔ)底面壓力也很大,應(yīng)采用整體性好、能滿足地基的承載力和建筑物容許變形要求并能調(diào)節(jié)不均勻沉降的基礎(chǔ)形式。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)類型、層數(shù)、載荷及地基承載力,可以用單獨(dú)柱基、交叉梁基礎(chǔ)、筏型基礎(chǔ)或箱型基礎(chǔ);當(dāng)?shù)鼗休d力或變形不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),可以采用樁基或復(fù)合地基。  　　3.1 筏型基礎(chǔ)  　　筏型基礎(chǔ)也稱為板式基礎(chǔ),多用在上部結(jié)構(gòu)荷載較大、地基承載力較低的情況。一般有兩種做法:倒肋形樓蓋式和倒無(wú)梁樓蓋式。倒肋形樓蓋的筏基,板的折算厚度較小,用料較省,剛度較好,但施工比較麻煩,模板較費(fèi)。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空間的利用,但地基開鑿施工麻煩,而且破壞了地基的連續(xù)性,擾動(dòng)了地基土,會(huì)降低地基承載力;采用倒無(wú)梁樓蓋式的筏基,板厚較大,用料較多,剛度也較差,但施工較為方便,且有利于地下空間的利用。采用此種形式的筏板,應(yīng)在柱下板底或板面加墩,板底加墩有利于地下空間的利用,板面加墩則施工較為方便。因此選擇施工方案的時(shí)候應(yīng)考慮綜合因素。  　　3.2 箱型基礎(chǔ)  　　當(dāng)?shù)鼗鶚O軟切沉降不均勻十分嚴(yán)重時(shí),采用筏形基礎(chǔ),其剛度會(huì)顯得不足,在上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降敏感時(shí)尤其如此,在這種情況下采用箱型基礎(chǔ)就較為合理。  　　箱型基礎(chǔ)是由底板、頂板、外圍擋土墻以及一定的內(nèi)隔墻組成的單層或多層混凝土結(jié)構(gòu)。箱型基礎(chǔ)剛度大、整體性好、傳力均勻;能適應(yīng)局部不均勻沉降較大的地基,有效地調(diào)整基地反力。由于地基面積較大,且埋置深度也較大,挖去了大量土方,卸除了原有的地基自重應(yīng)力,地基承載力有所提高,建筑物沉降減小。由于埋深較大,箱型基礎(chǔ)外壁與土的摩擦力增大,增大了基礎(chǔ)周圍土體對(duì)結(jié)構(gòu)的阻尼,有利于抗震。但是箱形基礎(chǔ)的內(nèi)隔墻較多,支模等施工時(shí)間較費(fèi),工期較長(zhǎng);在使用上也受到隔墻太多的限制。  　　3.3 樁箱和樁筏基礎(chǔ)  　　在淺層地基承載力比較軟弱,而堅(jiān)實(shí)土層距離地面又較深的時(shí)候,采用其他類型的基礎(chǔ)就不能滿足承載力或變形控制的要求。這是應(yīng)當(dāng)考慮采用樁基礎(chǔ)。  　　樁基礎(chǔ)由兩部分組成:一是樁基承臺(tái),二是樁基本身。樁承臺(tái)的作用是將上部荷載傳給樁,并使樁群連成整體,而樁又將荷載傳至較深的土層中區(qū)。樁基承臺(tái)一般可利用筏形基礎(chǔ)的底板或箱形基礎(chǔ)的底板。這時(shí)稱這種形式的基礎(chǔ)為樁筏基礎(chǔ)或樁箱基礎(chǔ)。  　　樁的類型應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)資料、結(jié)構(gòu)類型、荷載性質(zhì)、施工條件以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素確定。樁按受力性能來區(qū)分,有摩擦樁和支承樁兩種。按施工方法區(qū)分,有預(yù)制樁和灌注樁兩種。在樁基平臺(tái)面積確定的情況下,不同樁徑、不同的樁基持力層會(huì)有不同的單樁承載力,樁的平面隨之也可以確定。當(dāng)箱形或筏形基礎(chǔ)下樁的數(shù)量較少時(shí),樁基布置在墻下、梁板式筏形基礎(chǔ)的梁下或平板式筏形基礎(chǔ)的柱下。樁距應(yīng)盡可能的大,在充分發(fā)揮單樁承載力的同時(shí),還能發(fā)揮承臺(tái)土反力作用,以取得最佳效果。  　　4 高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)  　　隨著城市人口的不斷增加建設(shè)可用地的減少,高層建筑繼續(xù)向著更  　　高發(fā)展,結(jié)構(gòu)所需承擔(dān)的荷載和傾覆力矩將越來越大。在確保高層建筑物具有足夠可靠度的前提下,為了進(jìn)一步節(jié)約材料和降低造價(jià),高層建筑結(jié)構(gòu)夠構(gòu)件正在不斷更新,設(shè)計(jì)理念也在不斷發(fā)展。高層建筑結(jié)構(gòu)也正朝著結(jié)構(gòu)立體化,布置周邊化,體型多樣化,結(jié)構(gòu)支撐化,體型多樣化,材料高強(qiáng)化,建筑輕量化,組合結(jié)構(gòu)化,結(jié)構(gòu)耗能減震化等方向發(fā)展。  　　5 總結(jié)  　　高層建筑物有效地減輕了住房壓力,但必然也帶來了安全隱患,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。隨著設(shè)計(jì)理念的不斷發(fā)展,高層建筑物必將朝著更加合理的方向發(fā)展。  　　  　　參考文獻(xiàn)  　　[1]徐銀夫.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng),2006,(02).  　　[2]袁鴻.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究[J].大眾科技,2004,(08).  　　[3]李永明.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路探討[J].武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1997,(01).  　　[4]李粵獻(xiàn).高層建筑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論[M].北京:科學(xué)出版社,2006.  　　[5]關(guān)瑞明,王全鳳.高層建筑設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[J].新建筑,1994,(04).