淺談高層辦公建筑的結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)

宋雪山

1結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)控制點(diǎn)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)、首先要保證平?；蚓o急(地震、臺(tái)風(fēng)、火災(zāi)和積雪等)情況下建筑物的安全性、追求其經(jīng)濟(jì)性及縮短工期等，這是對(duì)建筑整體的共同要求，同時(shí)還必須抓住確保辦公樓的使用功能的特殊要點(diǎn)。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往和建筑設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)及施工設(shè)計(jì)有著密不可分的關(guān)系，因此．在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)。就必須考慮與其他設(shè)計(jì)間的整合性。所以在設(shè)計(jì)的最初階段．就要同其他設(shè)計(jì)之間相互協(xié)調(diào)，密切配合。下表所示的是有關(guān)辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

1.2結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)的程序

在進(jìn)行辦公樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要整理與辦公樓有關(guān)的各項(xiàng)條件(要求的結(jié)構(gòu)性能、荷載條件、工期、預(yù)算以及和建筑設(shè)計(jì)·設(shè)備設(shè)計(jì)·施工設(shè)計(jì)之間的關(guān)系等)。在得到全面的資料后，才能正式開始設(shè)計(jì)。接下來(lái)對(duì)包括選址條件和相關(guān)規(guī)范在設(shè)計(jì)上的限制等在內(nèi)的各項(xiàng)條件進(jìn)行研究和整理，與此同時(shí)進(jìn)行具體的框架設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)性能的數(shù)值化、選定結(jié)構(gòu)種類和框架形式)及詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算。在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，還要進(jìn)行驗(yàn)證(各項(xiàng)條件的滿足程度)。并進(jìn)一步確認(rèn)其合理性，可操作性。另外，通過(guò)驗(yàn)證如發(fā)現(xiàn)不合理處，要根據(jù)情況對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整修改。

2建筑結(jié)構(gòu)體系

2.1結(jié)構(gòu)種類

①結(jié)構(gòu)種類

在選定結(jié)構(gòu)種類時(shí)，為了更有效地滿足所需求的條件，并易與其他設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)，就必須事先對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)種類所具有的特性及適用范圍有充分細(xì)致的了解。

在此，將在辦公樓的設(shè)計(jì)中適用頻率較高的結(jié)構(gòu)種類的特性及適用范圍與各結(jié)構(gòu)種類的主要的使用目的列示如下。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(以下稱RC結(jié)構(gòu))

鋼骨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(以下稱SRC結(jié)構(gòu))

鋼結(jié)構(gòu)(以下稱s結(jié)構(gòu))

其他結(jié)構(gòu)種類(主要是混合結(jié)構(gòu))

高層辦公樓所采用的結(jié)構(gòu)種類和辦公樓的歷史變遷有著很密切的關(guān)系，在對(duì)辦公室空間的大跨度化和高層化要求較少的年代．結(jié)構(gòu)種類主要是以RC結(jié)構(gòu)為主。其后，為了適應(yīng)辦公室空間大跨度化的要求，開始采用SRC結(jié)構(gòu)粱，并且為了減輕自身的重量，S結(jié)構(gòu)就逐漸成為了結(jié)構(gòu)形式的。另外，為了適應(yīng)辦公樓不斷向高層化發(fā)展的要求。將高軸力的對(duì)應(yīng)作為目的，在柱子方面開始采用SRC．結(jié)構(gòu)、S結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(以下稱CFT結(jié)構(gòu))。

另外，最近幾年，“混合結(jié)構(gòu)”開始被開發(fā)使用。這種結(jié)構(gòu)是在不同部位使用不同的結(jié)構(gòu)種類，以最大限度地發(fā)揮其各自的特性，提高結(jié)構(gòu)的性能和經(jīng)濟(jì)性。

高層辦公綜合樓建筑的主體結(jié)構(gòu)體系也具有多樣性，主要有：框架、框架剪力墻、剪力墻、簡(jiǎn)體、筒中筒、束筒、筒框(筒體稀柱框架結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)稱)、帶支撐或帶剛臂(剛性加強(qiáng)層的簡(jiǎn)稱)的筒框、巨形支撐等等。一幢高層建筑的主體結(jié)構(gòu)可以由其中的某一個(gè)體系單獨(dú)構(gòu)成，也可以由其中的某二個(gè)甚至三個(gè)體系按不同比例組合而成。

②框架形式

在框架設(shè)計(jì)中．在對(duì)結(jié)構(gòu)種類進(jìn)行選定的同時(shí)，也要對(duì)荷載的支撐方式和傳遞結(jié)構(gòu)(框架形式)進(jìn)行設(shè)定。在對(duì)框架的形式進(jìn)行設(shè)定時(shí)，要掌握的重點(diǎn)無(wú)論是垂直荷載或是水平荷載都要滿足其結(jié)構(gòu)上的合理性需求。另外，因?yàn)榭蚣苄问降脑O(shè)定(特別是剪力墻·支撐的形式及配置)同建筑設(shè)計(jì)與設(shè)備設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系，所以在初設(shè)階段就必須事先考慮到相互間的協(xié)調(diào)性，并對(duì)其中存在的問(wèn)題加以協(xié)調(diào)解決。

在此，就有關(guān)在高層辦公樓中適用頻率較高的框架形式的概要及其特性例示如下。

純框架結(jié)構(gòu)

剪力墻和支撐并用的框架結(jié)構(gòu)

其他框架結(jié)構(gòu)

3高層辦公建筑結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)成

高層辦公樓的體型選擇也與結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，選擇合理的建筑體型，可加強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身的剛度。如圓形或橢圓形平面，有助于減少風(fēng)荷載：上窄下寬的體型對(duì)承受水平力引起的彎矩有很好的效果：在平面轉(zhuǎn)角處，采用圓角或抹角的處理方法能減少風(fēng)壓和地震力集中。而體型選擇則與標(biāo)準(zhǔn)層平面有密切關(guān)系。

結(jié)構(gòu)對(duì)平面的制約還表現(xiàn)在需要控制建筑物的高寬比。我國(guó)的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，在設(shè)計(jì)中剛度較大的筒體和剪力墻結(jié)構(gòu)，房屋的高寬比(建筑高度腱筑平面短邊寬度)應(yīng)不大于6，一般宜小于5：剛度較差的框架和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑物的高寬比應(yīng)不大于5，最好低于4。

實(shí)際工程中理想的絕對(duì)均勻?qū)ΨQ的高層建筑結(jié)構(gòu)幾乎是不存在的，但是結(jié)構(gòu)的均勻?qū)ΨQ有利于結(jié)構(gòu)的抗震抗風(fēng)，有利于結(jié)構(gòu)在重力荷載下正常工作。

a、結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性

結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性主要指的是高層建筑中抗側(cè)力的主體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。平面對(duì)稱的建筑比較容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。如筒體框架結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)等。平面不對(duì)稱的建筑如平面形狀復(fù)雜的L型、T型等高層建筑，內(nèi)含結(jié)構(gòu)的基本對(duì)稱仍是有可能實(shí)現(xiàn)的。這主要取決于結(jié)構(gòu)工程師結(jié)合建筑平面的功能和需要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置，設(shè)法調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度中心與建筑物重心、平面的形心盡量接近，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的基本對(duì)稱。

b、結(jié)構(gòu)的均勻性

高層建筑結(jié)構(gòu)的均勻性主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：

高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度比較接近、變形特性比較相近。高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度比較均勻，就能具有比較良好的抗震抗風(fēng)性能。

高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)沿豎向斷面、構(gòu)成變化比較均勻、不要突變。這種均勻的高層建筑結(jié)構(gòu)可以避免因薄弱層的破壞而引起的結(jié)構(gòu)整體破壞。

高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置中同一主軸方向各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度盡量均勻。同一主軸方向的各片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度均勻，水平荷載作用下應(yīng)力分布將比較均勻。有利于結(jié)構(gòu)抗震延性的實(shí)現(xiàn)。

高層建筑主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置還應(yīng)注意中央核心與周邊結(jié)構(gòu)的剛度協(xié)調(diào)均勻，保證主體結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度。以避免高層建筑物在地震或風(fēng)的扭矩作用下產(chǎn)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)變形而引起結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。