淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設計分析

孟艷松

摘要：為了滿足現(xiàn)代城市人口急速增長和人類物質(zhì)生活的需要，追求新的建筑結(jié)構(gòu)形式，進一步發(fā)展高層建筑，本文對高層建筑結(jié)構(gòu)受力特點，結(jié)構(gòu)布置和設計中應注意的一些問題和特點作簡要分析。

關(guān)建詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設計；受力特點；設計分析。

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民生活質(zhì)量水平不斷提高，人類的居住環(huán)境、居住條件和居住需求也在不斷的變化，在國家對土地使用制度控制越來越嚴格，建筑用地更是越來越稀薄。建筑物越來越朝著超高層建筑的方向發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足建筑效益、建筑結(jié)構(gòu)、建設設計和某些特殊功能要求的需要。鋼結(jié)構(gòu)因為重量輕、強度高、塑性韌性好、制作簡便，施工工期短而被廣泛的應用于高層建筑上，現(xiàn)在的高層建筑結(jié)構(gòu)也越來越向鋼結(jié)構(gòu)化方面發(fā)展。

1、高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點

建筑結(jié)構(gòu)所受的外力（作用）主要來自垂直方向和水平方向。在低、多層建筑中，由于結(jié)構(gòu)層數(shù)少、平面尺寸較大，其高寬比很小，且結(jié)構(gòu)受風荷載和地震影響也很小，故結(jié)構(gòu)以抵抗豎向荷載為主。也就是說，豎向荷載往往是結(jié)構(gòu)設計的主要控制因素。

在高層建筑中，首先，在豎向荷載作用下，各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的框架柱軸力為：邊柱N=wlH/2h，中柱N=wlH/h,即框架柱的軸力和建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)成正比；邊柱軸力比中柱小，基本上與其受荷面積成正比。就是說，由各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的累積效應很大，建筑物層數(shù)越多，底層柱軸力越大；頂、底層柱軸力差異越大；中柱、邊柱軸力差異也越大。

其次，在水平荷載作用下，作為整體受力分析，如果將高層建筑結(jié)構(gòu)簡化為一根豎向懸臂梁，那么由其底部產(chǎn)生的傾復彎矩為：水平均布荷載Mmax=qH2/2，倒三角形水平荷載Mmax=Oh3/3，即結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生的傾復彎矩與樓層總高度的平方成正比。就是說，建筑結(jié)構(gòu)的高度越大，由水平作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩就越大，較豎向荷載對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的累積效應增加越快，其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力占總結(jié)構(gòu)內(nèi)力的比重越大，從而成為高層結(jié)構(gòu)強度設計的主要控制因素。

高層建筑結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件有剪力墻、框架柱、梁和樓板。剪力墻、框架柱足豎向構(gòu)件，它們是形成結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度的最主要構(gòu)件，承擔著整個結(jié)構(gòu)的豎向荷載和絕大部分水平荷載；框架梁、樓板是水平構(gòu)件，結(jié)構(gòu)各樓層的豎向荷載通過樓板傳至框架梁再傳給豎向構(gòu)件，同時，對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度也有貢獻頗的框架梁．還和豎向構(gòu)件一起承擔整個結(jié)構(gòu)的荷載水平荷載；次外，有些高層建筑結(jié)構(gòu)還有斜向構(gòu)件，它們對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度貢獻很大，對構(gòu)件之間的傳力起著重要作用，除自重外，一般不直接受荷。

結(jié)構(gòu)在水平陣風作用下，當振動加速度a超過0.015G時會使人的正常生活受影響，因為加速度α=A（2πf），當頻率f為定值時，α與振幅A成正比，因此結(jié)構(gòu)的側(cè)移幅值的大小要受限制。過大的側(cè)移易使隔墻、圍護結(jié)構(gòu)以及高級裝修受損，地震或陣風引起的過大變形也會造成電梯軌道無法使用。結(jié)構(gòu)過大的變形會引起結(jié)構(gòu)的二階效應，造成結(jié)構(gòu)桿件產(chǎn)生附加內(nèi)力，影響結(jié)構(gòu)承載力。如果高層建筑采用的是鋼結(jié)構(gòu)，和普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比鋼結(jié)構(gòu)自身具有很強的變形能力，且在鋼結(jié)構(gòu)中采用的隔墻、裝飾材料又多為較輕，采用的幕墻、懸掛板、鋁板等變形能力較強，所以鋼結(jié)構(gòu)JGJ99-98標準中規(guī)定的限值標準要比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)定的限制標準寬松。

2、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設計分析

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設計中，結(jié)構(gòu)工程師應與建筑師緊密配合，要考慮建筑特點、功能、荷載性質(zhì)、材料供應、制作安裝等多種因素，擇優(yōu)選取利于抗震、抗風又經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系和平立面布置。常用的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)體系有框架體系，雙重抗側(cè)體系（鋼框架一支撐或剪力墻板體系、鋼框架一混凝土剪力墻體系、鋼管混凝土框架一剪力墻體系、鋼框架一混凝土核心簡體系）、簡體體系（框簡體系、簡中簡體系、桁架簡體系、框筒束體系）和巨型框架體系。

無論采用什么結(jié)構(gòu)體系，具體設計中都應使結(jié)構(gòu)具有明確的計算簡圖、合理的傳力途徑、多道抗震防線，力求形成立體構(gòu)件或盡量使結(jié)構(gòu)能趨向于實現(xiàn)總體屈服機制。結(jié)構(gòu)布置和設計中應盡量使結(jié)構(gòu)具有以下幾方面的特點，或注意考慮到以下一些原則。

1、使結(jié)構(gòu)構(gòu)件能形成立體化，在豎向構(gòu)件布置時，盡量使由墻或密柱與深梁能組成簡體或巨型柱，使結(jié)構(gòu)單元形成不同力學特性的立體構(gòu)件，構(gòu)成在任何方向都具有較大的剛度與抵抗力矩的能力。

2、使柱或巨型柱周邊布置，將柱沿平面周邊設置使結(jié)構(gòu)整體具有更大的抗側(cè)和抗扭剛度。

3、使結(jié)構(gòu)支撐化。在框筒結(jié)構(gòu)體系中由于水平力作用下存在固有的剪力滯后效應，當功能需要加大柱間距時剪力滯后效應更易削弱結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，影響水平承載力，因此在框筒中增設支撐能強化框筒；當房屋四角有巨柱采用支撐使其形成立體支撐體系更有利于抵抗各向力，發(fā)揮其材料潛力。

4、園錐形能減小風載體型系數(shù)和增大抗側(cè)抗扭剛度，特別在非地震區(qū)南風荷載起控制作用的高層建筑，采用園錐體型能節(jié)約材料經(jīng)濟性好。

5、選用高強、輕質(zhì)材料，有條件時設置安裝傳感器、質(zhì)量驅(qū)動裝置等減振設置使其動力反應智能化。

6、應積極探討將目前的整體結(jié)構(gòu)分析、單個構(gòu)件設計向整體結(jié)構(gòu)分析、整體結(jié)構(gòu)構(gòu)件設計方向發(fā)展考慮，使各構(gòu)件的承載力可靠度盡量一致。

7、用增大結(jié)構(gòu)阻尼方法以減小結(jié)構(gòu)加速度；用合理的幾何平、剖面圖形合理的墻板及構(gòu)件連接方法來減小側(cè)向位移，而不要隨意采用加大柱截面的方法來提高抗側(cè)抗彎剛度。實踐證明外柱布置遠離平面重心或芯筒，或使外柱沿建筑物全高向內(nèi)全高度傾斜等方法均能有效地減小側(cè)向位移值，用增加主梁的線剛度EI/L在框架中也能起到減少側(cè)向位移的作用；而采用加大柱截面的方法來提高框架抗側(cè)剛度其效果將很小且不經(jīng)濟。一般框架剛度通常取決于大梁剛度而不是柱的剛度，因為一般跨度和層高的建筑中柱的剛度比梁剛度已大很多。

8、在結(jié)構(gòu)的平面與剖面設計中應盡量避免出現(xiàn)不規(guī)則體型。建筑的開間進深應盡量統(tǒng)一，框筒、墻、支撐的布置盡量對稱。常用的框筒結(jié)構(gòu)中為充分發(fā)揮框筒作用應嚴格控制房屋的高寬比，且內(nèi)筒邊長不宜小于相應外筒邊長的1/3，框簡柱跨不宜大于層高，框筒裙梁高度不宜小于800mm，框筒結(jié)構(gòu)為矩形平面時其長寬比不宜大于1.5:1，否則應改用框簡束體系。筒的墻面開洞面積宜小于50%墻面積，內(nèi)外簡之問的間距一般可取l0-16m，為了保證角柱具有足夠的承載力，角柱宜為中心柱截面積的1.5 -2倍。一般還應該根據(jù)具體情況選用支撐，型鋼混凝土墻板、豎縫鋼筋混凝土墻板或鋼板剪力墻等作為主要抗側(cè)構(gòu)件。注意應使支撐、剪力墻能沿高度豎向一致連續(xù)布置。邊柱外柱應盡量使其參與結(jié)構(gòu)整體抗彎以增加整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載力，在抗震設計中應注意使結(jié)構(gòu)形式強節(jié)點弱桿件、強豎弱平、強壓弱拉。柱的超載必須避免，屈服應控制在梁和支撐上，要多道傳力途徑，多道設防，適當增多結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)。要避免水平剛度產(chǎn)生偏心和豎向剛度、強度的突變。節(jié)點連接應剛強，

3、在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)設計

地震時，由于地震波的作用產(chǎn)生地面運動，通過房屋基礎影響上部結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，房屋振動時產(chǎn)生的慣性力就是地震荷載。地震波可能使房屋產(chǎn)生垂直振動與水平振動，但一般對房屋的破壞主要是由水平振動引起，因此，設計中主要考慮水平地震力。

地震荷載是慣性力，因此它的大小除了和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有關(guān)外，還和結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài)有關(guān)，通常把結(jié)構(gòu)的運動狀態(tài)（各質(zhì)點的位移、速度、加速度）稱為地震反應。地面運動情況可以由地面加速度波形來描述，不同的地震、不同的場地、不同的震中距都會產(chǎn)生不同的地面運動。據(jù)觀測，在巖石等堅硬地基中，地震波的卓越周期大約是0.1—0.3秒左右，而在深層軟土地基中，其卓越周期可能達到1.5—2秒。這樣的周期與一般的建筑物周期(0.3-3秒)相當接近，因而一般建筑物的地震反應比較明顯，在達到一定震動強度時，很容易引起震害。一般情況下，結(jié)構(gòu)較柔，周期加長時，地震力減小。高層建筑具有較長的自振周期，容易跟地震波中的長周期分量發(fā)生共振。且地震波在土中傳播時，短周期分量衰減迅速，長周期分量則傳播較遠。大量震害表明：與低層建筑相比，高層建筑受地震影響的范圍更廣一些，振害后果也更嚴重一些，特別在軟土地基上，更是如此。所以較確切地估計高層建筑的地震作用，是十分必要的。

4、結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)設計中應根據(jù)實際情況做好結(jié)構(gòu)分析，多做方案比較，建筑設計者必須從當今經(jīng)濟現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā)，建立一個合理的結(jié)構(gòu)設計理念，合理確定建筑設計標準、經(jīng)濟性措施和原則，這樣不僅滿足設計各類需求，同時改善人類的居住環(huán)境。