分析高層建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

【摘要】高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式繁多，框架、剪力墻、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系是高層建筑結(jié)構(gòu)中較為傳統(tǒng)的、廣為應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系。 正確處理高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型問題，對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，具有至關(guān)重要的意義。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)體系；特點

0.引言

高層建筑首先要選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，并針對具體情況加強設(shè)計施工質(zhì)量的控制，另外必須在滿足國家設(shè)計規(guī)范要求的前提下，加強建筑結(jié)構(gòu)地基設(shè)計，選擇合適的材料，才能提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，確保設(shè)計質(zhì)量不斷提升，以使結(jié)構(gòu)設(shè)計工作做到更安全、更合理。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)體系的特點

我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，10層或10層以上或者房屋高度超過28m的建筑為高層建筑物。隨著層數(shù)和高度的增加，水平作用對高層建筑結(jié)構(gòu)安全的控制作用更加顯著，包括地震作用和風(fēng)荷載。高層建筑的承載能力、抗側(cè)剛度、抗震性能、材料用量和造價高低，與其所采用的結(jié)構(gòu)體系密切相關(guān)。不同的結(jié)構(gòu)體系，適用于不同的層數(shù)、高度和功能。

1.1框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)體系一般用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由梁和柱通過節(jié)點構(gòu)成承載結(jié)構(gòu)，框架形成可靈活布置的建筑空間，具有較大的室內(nèi)空間，使用較方便。由于框架梁柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，建筑高度受到限制；剪切型變形，即層間側(cè)移隨著層數(shù)的增加而減小；框架結(jié)構(gòu)主要用于不考慮抗震設(shè)防、層數(shù)較少的高層建筑中。在考慮抗震設(shè)防要求的建筑中，應(yīng)用不多；高度一般控制在70m以下。

1.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系

利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)，稱為剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由墻體承受全部水平作用和豎向荷載?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，承載力要求也容易滿足；剪力墻結(jié)構(gòu)體系主要缺點：主要是剪力墻間距不能太大，平面布置不靈活，不能滿足公共建筑的大空間使用要求。此外，結(jié)構(gòu)自重往往也較大。當(dāng)剪力墻的高寬比較大時，是一個受彎為主的懸臂墻，側(cè)向變形是彎曲型，即層間側(cè)移隨著層數(shù)的增加而增大。剪力墻結(jié)構(gòu)在住宅及旅館建筑中得到廣泛應(yīng)用。因此這種剪力墻結(jié)構(gòu)適合于建造較高的高層建筑。根據(jù)施工方法的不同，可以分為：全部現(xiàn)澆的剪力墻；全部用預(yù)制墻板裝配而成的剪力墻；內(nèi)墻現(xiàn)澆、外墻為預(yù)制裝配的剪力墻。在承受水平力作用時，剪力墻相當(dāng)于一根下部嵌固的懸臂深梁。剪力墻的水平位移由彎曲變形和剪切變形兩部分組成。高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)，以彎曲變形為主，其位移曲線呈彎曲形，特點是結(jié)構(gòu)層間位移隨樓層增高而增加。

1.3框架一剪力墻結(jié)構(gòu)（框架一簡體結(jié)構(gòu)）體系

在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分剪力墻，使框架和剪力墻兩者結(jié)合起來；取長補短；共同抵抗水平荷載，就組成了框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系。如果把剪力墻布置成筒體，又可稱為框架一筒體結(jié)構(gòu)體系?？蚣芤患袅Γㄍ搀w）結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（隔墻及外墻）的損壞，這樣無論在非地震區(qū)還是地震區(qū)，這種結(jié)構(gòu)型式都可用來建造較高的高層建筑，目前在我國得到廣泛的應(yīng)用。

1.4筒體結(jié)構(gòu)

單個筒體可分為實腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墻組成空間薄壁筒體，即為實腹筒；框架通過減小肢距，形成空間密柱框筒，即框筒；筒壁若用空間桁架組成，則形成桁筒。實際結(jié)構(gòu)中除煙囪等構(gòu)筑物外不可能存在單筒結(jié)構(gòu)，而常常以框架一筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、多筒體結(jié)構(gòu)和成束筒結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)。

1.5巨型結(jié)構(gòu)

巨型結(jié)構(gòu)一般由兩級結(jié)構(gòu)組成。第一級結(jié)構(gòu)超越樓層劃分，形成跨若干樓層的巨梁、巨柱（超級框架）或巨型桁架桿件（超級桁架），以這巨型結(jié)構(gòu)來承受水平力和豎向荷載，樓面作為第二級結(jié)構(gòu)，只承受豎向荷載并將荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力傳遞到第一級結(jié)構(gòu)上。常見的巨型

結(jié)構(gòu)有巨型框架結(jié)構(gòu)和巨型桁架結(jié)構(gòu)。

不同的結(jié)構(gòu)體系所具有的強度和剛度是不一樣的，因而它們適合應(yīng)用的高度也不同。一般說來，框架結(jié)構(gòu)適用于高度低，層數(shù)少，設(shè)防烈度低的情況；框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)可以滿足大多數(shù)建筑物的高度要求；在層數(shù)很多或設(shè)防烈度要求很高時，可用筒體結(jié)構(gòu)。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求

2.1結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

2.1.1不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，建筑設(shè)計應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案。高層建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)符合下列要求：

（1）應(yīng)具有必要的承載能力、剛度和變形能力。

（2）應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失承受重力荷載、風(fēng)荷載和地震作用的能力。

（3）對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取有效措施予以加強。

2.1.2高層建筑的結(jié)構(gòu)體系尚宜符合下列要求：

（1）結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部突變和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而形成薄弱部位。

（2）宜具有多道抗震防線。

2.2規(guī)則結(jié)構(gòu)的主要特征

建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對稱，并應(yīng)具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。規(guī)則結(jié)構(gòu)一般指：體型（平面和立面）規(guī)則，結(jié)構(gòu)平面布置均勻、對稱并具有較好的抗扭剛度；結(jié)構(gòu)豎向布置均勻，結(jié)構(gòu)的剛度、承載力和質(zhì)量分布均勻，無突變。

2.3規(guī)則平面布置需滿足的要求

結(jié)構(gòu)平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力直接，力爭均勻?qū)ΨQ，減少扭轉(zhuǎn)的影響。在地震作用下，建筑平面 要力求簡單規(guī)則，風(fēng)力作用下則可適當(dāng)放寬?？拐鹪O(shè)防的高層建筑，平面形狀宜簡單、對稱、規(guī)則，以減少震害。在高層建筑的一個獨立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的平面布置。抗震設(shè)計的B級高度鋼筋混凝土高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑，其平面布置應(yīng)簡單、規(guī)則，減少偏心。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1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(fēng)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(shè)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(yīng)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。

3.2豎向荷載設(shè)計應(yīng)減輕自重

高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意味著不增加基礎(chǔ)造價和處理措施，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟效益。地震效應(yīng)與建筑的重量成正比，減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu) 抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了，不僅作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。

4.結(jié)語

近年來，高層建筑越來越多，在高層建筑設(shè)計中，采用先進的結(jié)構(gòu)理論與精確的計算方法十分重要，掌握高層設(shè)計的要點是我們每個結(jié)構(gòu)設(shè)計人員所必須的。在高層建筑設(shè)計中存在的問題難度系數(shù)大，不容小覷，唯有長期的觀察實踐來加以改進，達到逐漸完善的程度。