高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高寶宇

摘 要:高層建筑是社會(huì)生產(chǎn)的需要和人類(lèi)生活需求的產(chǎn)物,是現(xiàn)代工業(yè)化、商業(yè)化和城市化的必然結(jié)果。而科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,高強(qiáng)輕質(zhì)材料的出現(xiàn)以及機(jī)械化、電氣化在建筑中的實(shí)現(xiàn)等,為高層建筑的發(fā)展提供了技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào):TU973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)06(a)-0039-01

人們常說(shuō)建筑是凝固的音樂(lè),優(yōu)美的高層建筑猶如藝術(shù)品,成為城市的一道道絢麗景觀;建筑同時(shí)是時(shí)代跳動(dòng)的脈搏,高層建筑占地面積小,符合了地價(jià)昂貴時(shí)代的需求,它可以節(jié)約建設(shè)用地或獲得更多的空閑地面,以作為綠化等環(huán)境用地,并因向高空方向發(fā)展而縮短了城市道路和各種管線的長(zhǎng)度,減少了基礎(chǔ)設(shè)施的投資。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是從結(jié)構(gòu)的宏觀整體出發(fā),著眼于結(jié)構(gòu)的整體反應(yīng),運(yùn)用人們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)已有的知識(shí)去處理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的諸如房屋體型、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布及構(gòu)造延性等問(wèn)題,既注意總體布置上的大原則,又考慮關(guān)鍵部分的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),從而達(dá)到合理的設(shè)計(jì)要求。

高層建筑的概念設(shè)計(jì)涉及抗震和抗風(fēng)兩方面的內(nèi)容。地震作用和風(fēng)荷載作用都屬于隨機(jī)振動(dòng),具有很強(qiáng)的復(fù)雜性和不確定性,要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑物在地震和風(fēng)荷載作用下的特性和參數(shù),就目前的理論來(lái)講是不可能實(shí)現(xiàn)的;而且在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面,尚沒(méi)有充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效和阻尼變化等多種因素,分析計(jì)算方法還很不完善。所以,高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),除了依靠數(shù)學(xué)、力學(xué)的分析計(jì)算外,還必須借助于概念設(shè)計(jì)。

1.1 簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻原則

簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻的建筑體型和平、立面布置形式可以避免薄弱層的出現(xiàn),防止地震或風(fēng)振作用造成的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和局部應(yīng)力集中。結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性是指結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下具有直接和明確的傳力途徑,只有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,才能更好地確定結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型,進(jìn)行內(nèi)力與位移分析,限制薄弱部位的出現(xiàn)及進(jìn)行可靠的抗震性能評(píng)估,簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻原則可從平面和立面兩個(gè)方面加以考查。

1.1.1 平面設(shè)計(jì)

高層建筑的外形可分為板式和塔式兩種類(lèi)型。板式建筑平面兩個(gè)方向的尺寸相差較大,分為長(zhǎng)短邊,在抗震設(shè)計(jì)時(shí)為了增大短方向的抗側(cè)剛度,可將建筑平面做成折線形和曲線形;塔式建筑平面兩個(gè)方向的尺寸較為接近,有多種平面形狀,如圓形、方形、Ｙ形、切角三角形等,目前大多數(shù)高層建筑屬于此種類(lèi)型。對(duì)抗風(fēng)有利的建筑平面形狀是簡(jiǎn)單、規(guī)則的凸平面,如圓形、正多邊形、橢圓形等流線型平面形狀,其風(fēng)載體型系數(shù)較小,能有效減小高層建筑的風(fēng)壓;Ｙ形、Ｈ形的平面形式則對(duì)抗風(fēng)不利。對(duì)抗震有利的建筑平面形狀是簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱、長(zhǎng)寬比不大的平面,不宜采用狹長(zhǎng)、突出部分過(guò)大、角部重疊及細(xì)腰形建筑平面。平面過(guò)于狹長(zhǎng)的建筑,在風(fēng)荷載作用下,可能出現(xiàn)樓板彎曲;在地震作用下,地面運(yùn)動(dòng)的相位差可能使結(jié)構(gòu)兩端的振動(dòng)不一致而產(chǎn)生震害,還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分析中無(wú)法計(jì)算的樓板平面內(nèi)高振型。

1.1.2 立面設(shè)計(jì)

(1)豎向體型設(shè)計(jì)。高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向體型應(yīng)采用對(duì)側(cè)向力不太敏感的房屋形狀,如截錐形、上窄下寬形等,利用它的幾何形狀所具有的力學(xué)優(yōu)點(diǎn),使結(jié)構(gòu)不僅具有有效抵御外荷載作用的能力,而且具有造價(jià)經(jīng)濟(jì)、高度大的優(yōu)點(diǎn),這是現(xiàn)代高層建筑創(chuàng)新的一種途徑。

(2)豎向傳力體系設(shè)計(jì)。建筑的空間形態(tài)是由結(jié)構(gòu)傳力體系支撐的,傳力體系的剖面形式直接反映結(jié)構(gòu)沿豎向的荷載傳遞路徑,也關(guān)系到建筑物的使用性能。因此,豎向傳力體系的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(a)應(yīng)注意控制建筑的高寬比,一般應(yīng)將結(jié)構(gòu)的高寬比Ｈ/Ｂ控制在5～6以下;當(dāng)設(shè)防烈度在8度以上時(shí),H/B限值還應(yīng)更加嚴(yán)格一些。(b)高層建筑的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)剛度,應(yīng)注意由基礎(chǔ)向頂層逐漸過(guò)渡,盡量避免豎向剛度突變,以防止因剛度的較大突變而削弱抵抗水平荷載的能力。(3)由于使用上的要求造成剛度變化特別大或結(jié)構(gòu)布置發(fā)生變化時(shí),則必須設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。(4)高層建筑必須具有適當(dāng)?shù)腻^固深度,該深度可結(jié)合布置設(shè)備用房或地下停車(chē)庫(kù)的需要,做一層或多層地下空間,以降低高層建筑的重心,提高抗震能力及抗傾覆能力。因此,結(jié)構(gòu)豎向的規(guī)則與否直接影響結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性能。

1.2 整體性原則

歷次地震中,導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)破壞的內(nèi)在和外在因素大致有三種類(lèi)型:結(jié)構(gòu)喪失整體性;結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度不足;地基不均勻沉陷。其中,第一種破壞造成的后果是嚴(yán)重的,不是局部倒塌就是全部倒塌,因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)在地震作用下喪失穩(wěn)定性后,各個(gè)構(gòu)件在尚未發(fā)揮其抗震能力之前,或者導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)變成機(jī)動(dòng)構(gòu)架而倒塌,或者導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外圈構(gòu)件平面外失穩(wěn)而倒塌。

1.3 剛?cè)釁f(xié)調(diào)原則

對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)來(lái)講,通常是地震或風(fēng)荷載等水平作用控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和配筋,因此高層結(jié)構(gòu)的性能主要指其抗震和抗風(fēng)能力,具體包含三方面的含義:滿足承載力要求、剛?cè)釁f(xié)調(diào)和延性性能好。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)

(1)水平荷載成為決定因素。一方面,因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值,僅與樓房高度的一次方成正比;而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩,以及由此在豎向構(gòu)件中引起的軸力,是與樓房高度的兩次方成正比;另一方面,對(duì)某一定高度樓房來(lái)說(shuō),豎向荷載大體上是定值,而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用,其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。

(2)軸向變形不容忽視。高層建筑中,豎向荷載數(shù)值很大,能夠在柱中引起較大的軸向變形,從而會(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響造成連續(xù)梁中問(wèn)支座處的負(fù)彎矩值減小,跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大;還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響,要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整;另外對(duì)構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響,與考慮構(gòu)件豎向變形比較,會(huì)得出偏于不安全的結(jié)果。

(3)側(cè)移成為控制指標(biāo)。與較低樓房不同,結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加,水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大,因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

(4)結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。相對(duì)于較低樓房而言,高層建筑結(jié)構(gòu)更柔一些,在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力,避免倒塌,特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?來(lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)化、商業(yè)化、城市化的進(jìn)程,城市人口劇增,造成城市生產(chǎn)和生活用房緊張,地價(jià)昂貴,迫使建筑物向高空發(fā)展,由多層發(fā)展為高層。隨著高層建筑進(jìn)一步的發(fā)展,滿足高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜且多元化。實(shí)踐表明在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中,設(shè)計(jì)、技術(shù)人員只有概念清晰,措施得當(dāng),才能不斷地完善和發(fā)展高層建筑。

參考文獻(xiàn)

[1] 王祖華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).華南理工大學(xué)出版社,2008.

[2] 周芝蘭主編.建筑結(jié)構(gòu),華中科技大學(xué)出版社,2007.

[3] 王社良.混凝土及砌體結(jié)構(gòu).冶金工業(yè)出版社,2004.