項目綜合管理：高層建筑結(jié)構(gòu)設計

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　　一、高層建筑的特點

　　1．在相同的建設場地中，建造高層建筑可以獲得更多的建筑面積，這樣可以部分解決城市用地緊張和地價高漲的問題。設計精美的高層建筑還可以為城市增加景觀，如馬來西亞首都的石油大廈和上海的金茂大廈等。但高層建筑太多、太密集也會對城市帶來熱島效應，玻璃幕墻過多的高層建筑群還可能造成光污染現(xiàn)象。

　　2．在建筑面積與建設場地面積相同比值的情況下，建造高層建筑比多層建筑能夠提供更多的空閑地面，將這些空閑地面用作綠化和休息場地，有利于美化環(huán)境，并帶來更充足的日照、采光和通風效果。例如在新加坡的新建居住區(qū)中，由于建造了高層建筑群，留下了更多地面空間，可以更好地建設城市綠化和人們休閑活動空間。

　　3．高層建筑中的豎向交通一般由電梯來完成，這樣就會增加建筑物的造價，從建筑防火的角度看，高層筑的防火要求要高于中低層建筑，也會增加高層建筑的工程造價和運行成本。

　　二、高層建筑結(jié)構(gòu)體系的特點

　　隨著層數(shù)和高度的增加，水平作用對高層建筑結(jié)構(gòu)安全的控制作用更加顯著，包括地震作用和風荷載。高層建筑的承載能力、抗側(cè)剛度、抗震性能、材料用量和造價高低，與其所采用的結(jié)構(gòu)體系密切相關。不同的結(jié)構(gòu)體系，適用于不同的層數(shù)、高度和功能。

　　1．框架結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)體系一般用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由梁和柱通過節(jié)點構(gòu)成承載結(jié)構(gòu)，框架形成可靈活布置的建筑空間，具有較大的室內(nèi)空間，使用較方便。由于框架梁柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，建筑高度受到限制；剪切型變形，即層間側(cè)移隨著層數(shù)的增加而減?。豢蚣芙Y(jié)構(gòu)主要用于不考慮抗震設防、層數(shù)較少的高層建筑中。在考慮抗震設防要求的建筑中，應用不多；高度一般控制在70m以下。

　　2．剪力墻結(jié)構(gòu)體系。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)，稱為剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由墻體承受全部水平作用和豎向荷載。

　　現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，承載力要求也容易滿足；剪力墻結(jié)構(gòu)體系主要缺點：主要是剪力墻間距不能太大，平面布置不靈活，不能滿足公共建筑的使用要求。此外，結(jié)構(gòu)自重往往也較大。

　　當剪力墻的高寬比較大時，是一個受彎為主的懸臂墻，側(cè)向變形是彎曲型，即層間側(cè)移隨著層數(shù)的增加而增大。剪力墻結(jié)構(gòu)在住宅及旅館建筑中得到廣泛應用。因此這種剪力墻結(jié)構(gòu)適合于建造較高的高層建筑。

　　根據(jù)施工方法的不同，可以分為：全部現(xiàn)澆的剪力墻；全部用預制墻板裝配而成的剪力墻；內(nèi)墻現(xiàn)澆、外墻為預制裝配的剪力墻。

　　在承受水平力作用時，剪力墻相當于一根下部嵌固的懸臂深梁。剪力墻的水平位移由彎曲變形和剪切變形兩部分組成。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)，以彎曲變形為主，其位移曲線呈彎曲形，特點是結(jié)構(gòu)層間位移隨樓層增高而增加。

　　3．框架—剪力墻結(jié)構(gòu)（框架—筒體結(jié)構(gòu)）體系。在框架結(jié)構(gòu)中設置部分剪力墻，使框架和剪力墻兩者結(jié)合起來；取長補短；共同抵抗水平荷載，就組成了框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。如果把剪力墻布置成筒體，又可稱為框架—筒體結(jié)構(gòu)體系。

　　框架—剪力墻（筒體）結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力都大大提高了，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（隔墻及外墻）的損壞，這樣無論在非地震區(qū)還是地震區(qū)，這種結(jié)構(gòu)型式都可用來建造較高的高層建筑，目前在我國得到廣泛的應用。

　　4．筒體結(jié)構(gòu)。單個筒體可分為實腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墻組成空間薄壁筒體，即為實腹筒；框架通過減小肢距，形成空間密柱框筒，即框筒；筒壁若用空間桁架組成，則形成桁筒。實際結(jié)構(gòu)中除煙囪等構(gòu)筑物外不可能存在單筒結(jié)構(gòu)，而常常以框架—筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、多筒體結(jié)構(gòu)和成束筒結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)。

　　5．巨型結(jié)構(gòu)。巨型結(jié)構(gòu)一般由兩級結(jié)構(gòu)組成。第一級結(jié)構(gòu)超越樓層劃分，形成跨若干樓層的巨梁、巨柱（超級框架）或巨型衍架桿件（超級衍架），以這巨型結(jié)構(gòu)來承受水平力和豎向荷載，樓面作為第二級結(jié)構(gòu)，只承受豎向荷載并將荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力傳遞到第一級結(jié)構(gòu)上。常見的巨型結(jié)構(gòu)有巨型框架結(jié)構(gòu)和巨型桁架結(jié)構(gòu)。

　　不同的結(jié)構(gòu)體系所具有的強度和剛度是不一樣的，因而它們適合應用的高度也不同。一般說來，框架結(jié)構(gòu)適用于高度低，層數(shù)少，設防烈度低的情況；框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)可以滿足大多數(shù)建筑物的高度要求；在層數(shù)很多或設防烈度要求很高時，可用筒體結(jié)構(gòu)。

　　三、高層建筑結(jié)構(gòu)設計的基本要求

　　1．結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。

　?。?）不應采用嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系。建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。高層建筑不應采用嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，應符合下列要求：

　　1）應具有必要的承載能力、剛度和變形能力；

　　2）應避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導致整個結(jié)構(gòu)喪失承受重力荷載、風荷載和地震作用的能力；

　　3）對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取有效措施予以加強。

　　（2）高層建筑的結(jié)構(gòu)體系尚宜符合下列要求：

　　1）結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部突變和扭轉(zhuǎn)效應而形成薄弱部位；

　　2）宜具有多道抗震防線。

　　2．規(guī)則結(jié)構(gòu)的主要特征。建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對稱，并應具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。

　　規(guī)則結(jié)構(gòu)一般指：體型（平面和立面）規(guī)則，結(jié)構(gòu)平面布置均勻、對稱并具有較好的抗扭剛度；結(jié)構(gòu)豎向布置均勻，結(jié)構(gòu)的剛度、承載力和質(zhì)量分布均勻，無突變。

　　3．規(guī)則平面布置需滿足的要求。結(jié)構(gòu)平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力直接，力爭均勻?qū)ΨQ，減少扭轉(zhuǎn)的影響。在地震作用下，建筑平面要力求簡單規(guī)則，風力作用下則可適當放寬?？拐鹪O防的高層建筑，平面形狀宜簡單、對稱、規(guī)則，以減少震害。

　　在高層建筑的一個獨立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。不應采用嚴重不規(guī)則的平面布置。

　　抗震設計的B級高度鋼筋混凝土高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑，其平面布置應簡單、規(guī)則，減少偏心。

　　四、高層建筑結(jié)構(gòu)設計

　　在高層建筑中，豎向荷載對結(jié)構(gòu)設計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑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、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比；另一方面，對一定高度建筑來說，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)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化。對一些較柔的高層建筑，風荷載是結(jié)構(gòu)設計的控制因素，隨著建筑物高度的增高，風荷載的影響越來越大。高層建筑中除了地震作用的水平力以外，主要的側(cè)向荷載是風荷載，在荷載組合時往往起控制作用。因此，高層建筑在風荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析與設計引起了研究人員和工程師們的重視。

　　豎向荷載設計應減輕自重。高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟效益。

　　地震效應與建筑的重量成正比，減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了，不僅作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。

　　五、結(jié)語

　　高層建筑存在諸多問題，高難度，高技術，高風險都需要大量技術工作人員去解決，本文簡單地介紹一些高層建筑的構(gòu)造及特點，遇到不同的問題用不同的方法去解決。