淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設計

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【摘要】隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑日漸普遍，其結(jié)構(gòu)設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)設計中存在的一些問題，提出了各種體系相對應的方法，為高層建筑設計提出了參考。為實際高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設計提了一些建議。 

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)；設計  目前我國高度在104米以上的建筑已經(jīng)遠遠超過了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，當高層建筑達到一定高度時，側(cè)向位移力很大，這就大幅度提高了對設計的要求，高層建筑結(jié)構(gòu)設計的質(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)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構(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)移應被控制在某一限度之內(nèi)。  1.3 結(jié)構(gòu)延性是重要設計指標  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?shù)拇胧?，來保證結(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 抗震設計要求  抗震設計要求更高有抗震設防的高層建筑結(jié)構(gòu)設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，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、抗震能力很強，多應用于大跨度、大空間或超高層建筑。  2.2 筒體結(jié)構(gòu)  當結(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位置設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。框架—剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置，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，震害修復費用很高，因而它主要用于無抗震設防要求、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用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結(jié)構(gòu)工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。  3.1.2 嵌固端的設置問題  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，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、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“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。”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格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。  3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設計的建議  3.2.1 重視設計概念  在建筑的堅固性上，由于高層建筑結(jié)構(gòu)復雜多樣，發(fā)生地震時地震運動不確定，人們對地震時結(jié)構(gòu)響應的認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測的因素，致使設計計算結(jié)果和實際相差較大，甚至有些作用效應至今尚無法定量計算出來。因此，在設計中，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，不能達到預期的設計目標，還必須非常重視概念設計。概念設計是通過無數(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)外的設計與使用分析、歸納、總結(jié)出來的，它是結(jié)構(gòu)設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)條件和材料供應情況、有無抗震設防，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型；分析豎向荷載、風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?shù)挠嬎愫唸D  結(jié)構(gòu)計算式在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當則會導致結(jié)構(gòu)安全的事故常常發(fā)生，所以選擇適當?shù)挠嬎愫唸D是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計算簡圖還應有相應的構(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在設計允許范圍之內(nèi)。  3.2.3 合理選擇構(gòu)方案  一個合理的設計必須選擇一個經(jīng)濟合理的結(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)應力求平面和豎向規(guī)則?？偠灾?，必須對工程的設計要求、材料供應、地理環(huán)境、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎上進行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時應進行多方案比較，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)設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，需要工程師在設計中不斷地創(chuàng)新，不斷地總結(jié)經(jīng)驗，考慮設計的各個因素，為建筑界的發(fā)展交上完美的答卷。  參考文獻：  [1]呂楊 淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點 2001  [2]趙明華 如何對高層建筑結(jié)構(gòu)進行設計分析之探析 2010  [3]黃曉梅 著重探討高層建筑結(jié)構(gòu)設計 2010