淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

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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)計問題也日益被人們所重視。本文圍繞高層建筑的特點，以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則為中心，對高層建筑結(jié)構(gòu)做出了解析，分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的一些問題，提出了各種體系相對應(yīng)的方法，為高層建筑設(shè)計提出了參考。為實際高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計提了一些建議。 

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計  目前我國高度在104米以上的建筑已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了100幢，可見高層建筑的普及趨勢，在建筑的“增高”過程中，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，側(cè)向位移力很大，這就大幅度提高了對設(shè)計的要求，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(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  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，從而會對連續(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；還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進(jìn)行調(diào)整；另外對構(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)計指標(biāo)  相對于較低樓房而言，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瑏肀ＷC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，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構(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，對某一定高度樓房來說，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)動力特性的不同而有較大幅度的變化。  1.5 抗震設(shè)計要求  抗震設(shè)計要求更高有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、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)常見體系  2.1 簡體體系  凡采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡體體系，包括單簡體、簡體—框架、筒中筒、多束筒等多種型式。簡體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實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度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強，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，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，具有很大的強度和剛度。這種由一個或多個筒體(薄壁筒或框筒)來承受水平荷載的結(jié)構(gòu)，稱為筒體結(jié)構(gòu)。  2.3 框架—剪力墻體系  當(dāng)框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架—剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過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、對強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)費用很高，因而它主要用于無抗震設(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，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，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)計分析和方法  3.1 對高層建筑結(jié)構(gòu)的分析  3.1.1 短肢剪力墻的設(shè)置問題  在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為 5～8 的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，對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)計工作增加不必要的麻煩。  3.1.2 嵌固端的設(shè)置問題  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，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設(shè)計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性。  3.1.3 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題  新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，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)計階段工作的被動。  3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的建議  3.2.1 重視設(shè)計概念  在建筑的堅固性上，由于高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，發(fā)生地震時地震運動不確定，人們對地震時結(jié)構(gòu)響應(yīng)的認(rèn)識有很大的局限性和模糊性，加之材料性能與施工安裝時變異性以及其他不可預(yù)測的因素，致使設(shè)計計算結(jié)果和實際相差較大，甚至有些作用效應(yīng)至今尚無法定量計算出來。因此，在設(shè)計中，雖然分析計算是必須的，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)計目標(biāo)，還必須非常重視概念設(shè)計。概念設(shè)計是通過無數(shù)的事故分析、歷年來國內(nèi)外震害分析、模擬試驗的定量、定性分析以及長期以來國內(nèi)外的設(shè)計與使用分析、歸納、總結(jié)出來的，它是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員運用所掌握的知識和經(jīng)驗，從宏觀上決定結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本問題。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)荷載及地震作用對不同結(jié)構(gòu)體系的受力特點及傳遞途徑；分析結(jié)構(gòu)破壞的機制和過程，以加強結(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)揮整個結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用等。  3.2.2 選用適當(dāng)?shù)挠嬎愫唸D  結(jié)構(gòu)計算式在計算簡圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計算簡圖選用不當(dāng)則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的事故常常發(fā)生，所以選擇適當(dāng)?shù)挠嬎愫唸D是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計算簡圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點不可能是純粹的鉸結(jié)點和剛結(jié)點，但與計算簡圖的誤差應(yīng)在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。  3.2.3 合理選擇構(gòu)方案  一個合理的設(shè)計必須選擇一個經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，也就是要選擇一個切實可行的結(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。總而言之，必須對工程的設(shè)計要求、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，必要時應(yīng)進(jìn)行多方案比較，擇優(yōu)選用。  4 結(jié)語  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)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要工程師在設(shè)計中不斷地創(chuàng)新，不斷地總結(jié)經(jīng)驗，考慮設(shè)計的各個因素，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)計的特點 2001  [2]趙明華 如何對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析之探析 2010  [3]黃曉梅 著重探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 2010