高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題探討

宮本鎮(zhèn)

遼寧金海建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（118000）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題探討

宮本鎮(zhèn)

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高層建筑在我國發(fā)展迅速，針對(duì)結(jié)構(gòu)選型、電算和概念設(shè)計(jì)，本文提出了一些應(yīng)注意的問題。

高層建筑；設(shè)計(jì)；原則

0 前言

高層建筑是指層數(shù)較多、高度較高的建筑。但迄今為止，世界各國對(duì)多層和高層建筑劃分界限并不統(tǒng)一,為適應(yīng)我國高層建筑的發(fā)展形式并與國際上諸多國家的界定相適應(yīng),我國的規(guī)范規(guī)定10層及10層以上的民用建筑結(jié)構(gòu)，或其層數(shù)雖未達(dá)到10層，但其房屋層高較高，為適應(yīng)設(shè)計(jì)需要，將房屋高度超過28 m的民用建筑也納入了該規(guī)程的適用范圍。對(duì)于房屋層數(shù)少于10層或房屋高度小于28 m,但接近10層或28 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)民用建筑，若無專門規(guī)范，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可參照高層建筑的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

1 高層建筑設(shè)計(jì)原則

1.1 合理原則

由于建筑功能不同,對(duì)結(jié)構(gòu)的體系型式提出了不同的要求，在空間的布置上也有不同，具有不同的功能空間特征。此外還要具體考慮建筑地點(diǎn)的地質(zhì)條件，采取合理的抗震措施,整體效能的有效發(fā)揮有賴于各參數(shù)要在合理的范圍之內(nèi)。

1.2 整體性原則

建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一個(gè)由多個(gè)子結(jié)構(gòu)及其若干組成構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)體系,一個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力不僅取決于各子結(jié)構(gòu)及相應(yīng)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、延件及其受力狀態(tài)，而更主要地取決于保證這些子結(jié)構(gòu)、構(gòu)件能協(xié)同工作的能力或空間整體性能。

1.3 經(jīng)濟(jì)原則

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮到施工的方便性，設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接決定著結(jié)構(gòu)的施工工藝、施工難度、施工工期及可能的施工質(zhì)量，施工工期和材料的選擇直接影響到工程的總造價(jià)，在設(shè)計(jì)中要避免設(shè)計(jì)與施工相脫節(jié)。

1.4 重視概念設(shè)計(jì)

在高層建筑中,除了要根據(jù)結(jié)構(gòu)高度和使用要求選擇合理的結(jié)構(gòu)體系外，還要恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和選擇建筑物的平面、立面形狀和體型。對(duì)于高層建筑，特別是需要進(jìn)行抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)，因地震作用影響因素多，對(duì)一些結(jié)構(gòu)部位常常無法進(jìn)行精確計(jì)算，因此，安全、合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須注重概念設(shè)計(jì)的方法。

2 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

2.1 結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞，一個(gè)好的結(jié)構(gòu)形式的選擇，不僅要考慮建筑的使用功能，結(jié)構(gòu)上的安全合理，施工上的可能條件，也要考慮造價(jià)經(jīng)濟(jì)和選型的美觀。在高層建筑結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)中最重要的內(nèi)容便是結(jié)構(gòu)體系的選擇，主要包括結(jié)構(gòu)的材料、抗側(cè)力體系、豎向結(jié)構(gòu)的類型和大跨度樓蓋類型等。目前普遍采用的專家系統(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)擬建工程的結(jié)構(gòu)選型提出建議,然而每個(gè)工程的技術(shù)條件、材料供給狀況、施工水平等不盡相同，很難做出透徹地分析，具有技術(shù)上的時(shí)間滯后性。所以在工程方案選擇上不能依賴系統(tǒng)，要根據(jù)具體條件具體分析，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員和專家填寫選擇可能的結(jié)構(gòu)選型的權(quán)重,從而形成評(píng)判矩陣。最后根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判原理,得到評(píng)判向量，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的最大隸屬原則，確定結(jié)構(gòu)選型。

2.2 設(shè)計(jì)軟件

高層建筑都是由大量的結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)成的，早期由于條件限制，為了減少計(jì)算量，減少計(jì)算自由度，通常引入樓板在其平面內(nèi)剛度無窮大、在平面外剛度為零的假定。雖然樓板剛度無窮大假定使高層建筑結(jié)構(gòu)分析得到了極大的簡化，但對(duì)于復(fù)雜體型結(jié)構(gòu)形式的建筑物分析往往存在不確定性，特別是帶有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層、建筑平面狹長等結(jié)構(gòu)形式，樓板變形的影響已經(jīng)不能忽視。

高規(guī)在考慮抗震設(shè)計(jì)時(shí)荷載效應(yīng)與地震作用效應(yīng)的基本組合公式中，恒荷載與活荷載是合在一起考慮的。在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，恒荷載與活荷載宜分開考慮，這樣在考慮地震作用時(shí),計(jì)算重力荷載代表值時(shí)可以按照可變荷載的組合系數(shù)對(duì)活荷載進(jìn)行折減,從而使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)合理。

對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)，必須考慮二階效應(yīng)，隨著建筑層數(shù)的增加以及高寬比的增大，P-D效應(yīng)造成的附加彎矩與附加位移所占的比重逐漸加大，當(dāng)建筑層數(shù)到達(dá)50層時(shí)，二階內(nèi)力與位移可占15%左右，如果不考慮二階效應(yīng)，可能造成一些構(gòu)件實(shí)際負(fù)擔(dān)的內(nèi)力超過其承載力，造成結(jié)構(gòu)破壞。

2.3 概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是指建筑師和結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想,進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)整體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程,在設(shè)計(jì)實(shí)踐中與數(shù)值設(shè)計(jì)同等重要。

防止結(jié)構(gòu)由于變形過大而可能遭受損壞或破壞的控制因素是層間相對(duì)位移，而其限值在現(xiàn)行規(guī)范中偏嚴(yán)，在適當(dāng)情況下可予放松。在電算中，層間位移有的是指樓層形心位移，有的則專指考慮樓層轉(zhuǎn)動(dòng)后的最大角點(diǎn)位移，后者通常比前者要大，形心位移對(duì)規(guī)則建筑有意義，而角點(diǎn)位移則更能反映結(jié)構(gòu)樓層的真實(shí)位移,因此角點(diǎn)位移是結(jié)構(gòu)工程師必須關(guān)注的一個(gè)數(shù)值。

[1]周云波,趙巖.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則[J].黑龍江科技信息,2009,(01).

[2]王云飛.淺談高層建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題[J].山西建筑,2007,(20).