結(jié)構(gòu)概念設(shè)計在超高層建筑物當(dāng)中的應(yīng)用

王　輝

摘要：對于超高層建筑物來說，合理安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計是最基本的要求，而對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，概念設(shè)計是工程師進(jìn)行工作的中心思想。于是筆者從結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點、方法等方面對超高層建筑物在進(jìn)行概念設(shè)計時應(yīng)該注意的問題進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計概念設(shè)計超高層建筑

0引言

對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，概念設(shè)計最主要目的是在設(shè)計方案合理的基礎(chǔ)上更加經(jīng)濟(jì)、安全可行。所以，概念設(shè)計需要正確的設(shè)計原則以解決設(shè)計當(dāng)中出現(xiàn)的問題，并更加優(yōu)化設(shè)計人員的方案。概念設(shè)計運用的好壞不僅體現(xiàn)出了設(shè)計工程師的思維活動，更顯示出了設(shè)計工程的質(zhì)量層次。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

1.1豎向構(gòu)件產(chǎn)生的縮短變形差對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響增大豎向構(gòu)件的總壓縮量主要由受力變形、干縮變形和徐變變形三部分組成，對于全鋼結(jié)構(gòu)僅需考慮受力變形產(chǎn)生的縮短影響，對于鋼混結(jié)構(gòu)、鋼組合結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)必須考慮干縮縮短和徐變縮短的影響。一般受力變形瞬時完成，其變形量可用胡克定律作近似計算；干縮變形完成的時間較長，據(jù)資料統(tǒng)計約為總壓縮量的30％；徐變變形完成的時間更長，線性徐變可由公式簡單計算：構(gòu)件的總壓縮量隨著構(gòu)件的高度H、平均壓應(yīng)力O=N/A的增加而加大。

超高層建筑的豎向構(gòu)件不但H和o較大，而且構(gòu)件之間的壓應(yīng)力差也較大，因此設(shè)計中除了通過控制軸壓比使豎向構(gòu)件之間的壓應(yīng)力較接近外，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采取逐步將各層柱頂找平后再進(jìn)行下一道工序的施工辦法來減小變形差：對鋼結(jié)構(gòu)采取預(yù)留柱、墻壓縮量的方法來減小變形差；總體結(jié)構(gòu)分析時采取模擬施工方法，減小變形差對內(nèi)力計算的影響。

1.2 P△效應(yīng)成為不可忽視的問題超高層建筑高寬比較大，側(cè)向剛度相對較弱，水平位移量大，重力與水平位移所產(chǎn)生的附加彎矩常常大于初始彎矩的10％，必須考慮重力二階PA效應(yīng)。

1.3由于風(fēng)作用效應(yīng)的加大風(fēng)的作用是不規(guī)則的，通常把風(fēng)速的平均值看成穩(wěn)定風(fēng)速或平均風(fēng)速，使建筑物產(chǎn)生靜側(cè)移：實際風(fēng)速在平均值附近波動，風(fēng)壓也在平均風(fēng)壓附近波動，稱為波動風(fēng)壓，因此實際上建筑物在平均側(cè)移附近搖擺。在來風(fēng)的風(fēng)壓脈動等因素的影響下，高層建筑結(jié)構(gòu)會誘發(fā)風(fēng)致振動。脈動風(fēng)壓是由于大氣的湍流運動形成的動荷載。

1.4重力荷載迅速增大隨著建筑物高度的不斷增加重力荷載呈直線上升，作用在豎向構(gòu)件柱、墻上的軸壓力增加，對基礎(chǔ)承載力的要求也更加提高。

1.5傾覆力矩增大，整體穩(wěn)定性要求提高建筑物高度的增加使得側(cè)向力引起的傾覆力矩增大，抗傾覆要求提高。實際工程中常常采取增加基礎(chǔ)埋深、加大基礎(chǔ)寬度或采用抗拔樁基等措施來滿足整體穩(wěn)定性要求。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2.1采用高強(qiáng)輕質(zhì)材料，減輕結(jié)構(gòu)自重，減小地震作用。

2.2通過減小迎風(fēng)面積、降低風(fēng)力形心、選用體型系數(shù)較小的建筑平面形狀等降低風(fēng)作用水平力。

2.3減少振動，耗散輸入能量采用阻尼裝置或加大阻尼比，減少振動影響。選用耗能、減振的結(jié)構(gòu)體系，如采用偏心支撐的鋼結(jié)構(gòu)具有耗能的水平段，采用橡膠支座可以減振等。

2.4加強(qiáng)抗震措施選用規(guī)則結(jié)構(gòu)使建筑物具有明確的計算簡圖，合理的地震作用傳遞途徑。

如采用圓形、正多邊形、正方形等平面形狀，可以使整體結(jié)構(gòu)具有多向同性，避免強(qiáng)弱軸的抗力不同和變形差異。功能復(fù)雜的建筑常常是多種結(jié)構(gòu)體系的綜合，具體設(shè)計時應(yīng)注意以下問題。

2.4.1結(jié)構(gòu)平面形狀盡可能對稱。由于地震作用的方向具有隨機(jī)性，風(fēng)作用雖有主導(dǎo)方向，但最大值也具有隨機(jī)性，因此選用具有對稱性、多向同性布置的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，有利于形心和剛心的重合。

2.4.2豎向構(gòu)件盡可能連續(xù)，避免抗側(cè)力構(gòu)件的間斷，從而形成薄弱層、薄弱部位，對抗震不利。

2.4.3設(shè)置多道抗震防線，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防要求。

2.4.4增加超靜定次數(shù)，增加重要構(gòu)件的傳力線路，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。贅余度的增多，可以使結(jié)構(gòu)有更多的部位有機(jī)會形成塑性鉸，吸收更多的地震能量。

2.4.5在滿足強(qiáng)度、剛度要求的前提下，選擇具有較好延性的結(jié)構(gòu)材料，增加總體變形能力，增加結(jié)構(gòu)耗能。

2.4.6建立整體屈服機(jī)制，避免失穩(wěn)破壞，并做到強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件、強(qiáng)埋件弱連接設(shè)計；對容易失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)，做到強(qiáng)支撐；對受彎構(gòu)件，做到強(qiáng)壓弱拉等。

2.5采用多個權(quán)威程序進(jìn)行計算比較，通過動力時程分析，驗證薄弱部位；對重要構(gòu)件補(bǔ)充有限元分析計算，從而使計算的結(jié)論更為完整，結(jié)果更為可靠。

2.6進(jìn)行小模型風(fēng)洞試驗，獲取有關(guān)風(fēng)載作用參數(shù)；通過振動臺試驗，獲取有關(guān)地震作用參數(shù)。

2.7采用智能化設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)的可控性。應(yīng)用傳感器、質(zhì)量驅(qū)動裝置、可調(diào)剛度體系等和計算機(jī)共同組成主動控制體系，提供可變側(cè)向剛度，控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)等。

2.8提高節(jié)點連接的可靠度，如鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的焊接處理，鋼混結(jié)構(gòu)中型鋼、鋼板與混凝土的連接等。

3對結(jié)構(gòu)材料的選擇

更輕、更強(qiáng)、更具有延性的材料是超高層建筑結(jié)構(gòu)材料的首選。鋼筋混凝土、型鋼混凝土、鋼管混凝土和純鋼材料都可作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要材料；而外墻圍護(hù)多采用玻璃幕墻、鋁合金幕墻、鋼塑復(fù)合板材等，內(nèi)部隔墻多為輕質(zhì)隔斷：樓屋面常選用壓型鋼板加混凝土面層，并在裸露的鋼承重構(gòu)件表面加防火涂料。

4對結(jié)構(gòu)體系的選擇

更具整體性、更具多道抗震防線、更具延性的結(jié)構(gòu)體系是超高層建筑結(jié)構(gòu)體系的首選，工程中常用的結(jié)構(gòu)體系有：

4.1內(nèi)筒外框或內(nèi)筒外框并帶角部小筒體(或角形墻)的結(jié)構(gòu)體系

4.2內(nèi)束筒外框架(巨型柱)并帶多個加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)體系

4.3筒中筒結(jié)構(gòu)體系，一般外筒為密柱筒

4.4內(nèi)筒外巨型框架加外斜撐結(jié)構(gòu)體系

4.5束筒結(jié)構(gòu)體系

4.6巨型框架、巨型桁架結(jié)構(gòu)體系

4.7懸掛結(jié)構(gòu)和懸挑結(jié)構(gòu)，由于其側(cè)向剛度僅由內(nèi)筒貢獻(xiàn)，體型上大下小，抗風(fēng)抗震不利，因此建筑物高度受到限制。

5結(jié)束語

概念設(shè)計是從設(shè)計的基本原理，工程的客觀規(guī)律和方法等出發(fā)進(jìn)行綜合考慮，來最終確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置，和進(jìn)行宏觀上的調(diào)控。所以，對于專業(yè)人員來說，讓理論知識和實踐相結(jié)合，探索新的思路，提高工作技能讓結(jié)構(gòu)設(shè)計更加安全，經(jīng)濟(jì)，美觀才是正道。