高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

摘 要 近些年，高層建筑得到了迅速發(fā)展，高層建筑的建設(shè)高度也在不斷增加，因此高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便成為了建筑設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文探討了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，以供參考。

關(guān)鍵詞 高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號(hào) TU973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)071-0094-01

當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師面臨的一個(gè)首要問題就是怎樣才能設(shè)計(jì)出安全、舒適、經(jīng)濟(jì)、美觀，并能滿足人們精神及物質(zhì)生活要求的高層建筑。因此，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的熟練掌握，是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的必備基本素質(zhì)。筆者將多年從事高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)做了一個(gè)總結(jié)，提出了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些需要注意的問題，并對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的體系作了分析，以供參考。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析

1.1 水平荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中的決定因素

高層建筑所承受的樓面荷載及其自身重量于豎向構(gòu)件當(dāng)中的彎矩及軸力數(shù)值與高層建筑的實(shí)際高度成正比；高層建筑結(jié)構(gòu)中傾覆力矩的產(chǎn)生與水平荷載相關(guān)，結(jié)構(gòu)的軸力也由豎向構(gòu)件所引起，傾覆力矩及軸力都與高層建筑本身的實(shí)際高度成正比；對(duì)于具有特定高度的建筑來說，豎向荷載在一般情況下是一個(gè)定值；而高層建筑結(jié)構(gòu)中的水平荷載數(shù)值由結(jié)構(gòu)動(dòng)力的特性決定，隨動(dòng)力特性變化而變化，尤其是水平荷載當(dāng)中的風(fēng)荷載。

1.2 軸向變形在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中是不可忽視的因素

如高層建筑所承受的豎向荷載值較大，可引起柱中出現(xiàn)軸向變形的現(xiàn)象，且幅度較大，從而影響連續(xù)梁的彎矩，對(duì)連續(xù)梁中部的支座處負(fù)彎矩值產(chǎn)生了減小作用，而對(duì)端支座的負(fù)彎矩值及跨中正的彎矩值則是產(chǎn)生了增大作用。較大的豎向荷載值還會(huì)影響預(yù)制構(gòu)件下料的長(zhǎng)度；在這樣的情況下，就需要以軸向變形作為依據(jù)的計(jì)算值，調(diào)整下料長(zhǎng)度。此外，豎向荷載值對(duì)構(gòu)件側(cè)移及剪力產(chǎn)生的影響也不可忽視，因其與構(gòu)件豎向的變形相比較考慮，會(huì)產(chǎn)生與不安全結(jié)果不相符合的現(xiàn)象。

1.3 側(cè)移是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制指標(biāo)

高層建筑與低矮的樓房不一樣，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，關(guān)鍵的影響因素為結(jié)構(gòu)側(cè)移；隨建筑本身實(shí)際高度的增大，水平荷載之下的建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移的變形會(huì)迅速增大?？梢园l(fā)現(xiàn)，在水平荷載的作用下，需要對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移進(jìn)行控制，使其保持在一定的限度之內(nèi)。

1.4 結(jié)構(gòu)延性為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)

高層建筑的結(jié)構(gòu)要比低矮樓房的結(jié)構(gòu)更柔，在地震的作用下，出現(xiàn)的變形幅度會(huì)更大，減少了倒塌的現(xiàn)象。在高層建筑的構(gòu)造方面可采取相應(yīng)的措施，使之進(jìn)入到塑性變形的階段后，仍具有足夠延性，保持較強(qiáng)變形能力。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系分析

2.1 剪力墻-框架體系的設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)中的框架體系剛度及強(qiáng)度均不能達(dá)到要求時(shí)，常常需要在高層建筑的平面內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢?，建立剪力墻以代替結(jié)構(gòu)中的部分框架，將剪力墻-框架結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中[3]。當(dāng)建筑物承受來自水平方向的壓力時(shí)，剪力墻及框架可以通過剛度足夠強(qiáng)的連梁及樓板共同組成相互協(xié)同結(jié)構(gòu)工作體系。在剪力墻-框架設(shè)計(jì)體系中，承受來自垂直方面荷載的主體為框架體系，水平剪力的承受主體為剪力墻；在剪力墻-框架體系中，位移曲線為彎剪型。結(jié)構(gòu)側(cè)向的剛度由于剪力墻的作用而增大，建筑在水平方向上的位移得以減??；框架所承受的水平方向上的剪力出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，豎向的內(nèi)力分布變得均勻。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)體系是指由平面的剪力墻結(jié)構(gòu)組成的建筑主體受力結(jié)構(gòu)。在剪力墻結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中，全部的水平力及垂直荷載由單片的剪力墻所承受。剪力墻結(jié)構(gòu)體系是一種剛性的結(jié)構(gòu)，位移曲線是一種彎曲型結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)體系的剛度及強(qiáng)度均相對(duì)較高，具有一定延性，在傳力時(shí)具有直接及均勻的優(yōu)點(diǎn)，整體性好，且抗倒塌的能力較強(qiáng)，不失為一種優(yōu)良的建筑結(jié)構(gòu)體系，其可建的高度一般大于剪力墻-框架體系。

2.3 筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)體系指的是以筒體作為抗側(cè)力的構(gòu)件建筑結(jié)構(gòu)體系，筒體結(jié)構(gòu)體系主要包括筒體-框架、單筒體、多束筒及筒中筒等其他多種形式?？蓪⑼搀w分為空腹筒及實(shí)腹筒兩個(gè)大類。筒體為空間受力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件與三維豎向的結(jié)構(gòu)單體，由曲面墻或平面墻圍成；也可由窗裙梁、密排柱及開孔鋼筋外墻等構(gòu)成。筒體結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度及剛度均相對(duì)較高，在大空間、大跨度等特殊類型的高層建筑中被廣泛應(yīng)用

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本假定分析

由剪力墻及簡(jiǎn)體框架組成了高層建筑主體結(jié)構(gòu)，組成的方式為平樓板水平連接。因此，在三維空間中精確及完善的分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)是存在難度的，特別是不同的實(shí)用分析方法，要引入不同程度的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。以下四種假定是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中比較常見的計(jì)算模型。

3.1 小變形基本假定

在一般情況下，小變形基本假定在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中被應(yīng)用得最多。很多從幾何方面入手的研究人員對(duì)P—△效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并得出以下注意事項(xiàng)：在建筑高度與頂點(diǎn)的水平位移的比值大于0.2%的情況下，需高度重視建筑結(jié)構(gòu)受到P—△效應(yīng)影響的程度。

3.2 剛性樓板基本假定

在分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，存在的問題主要是過于注重平面內(nèi)剛度，而忽視了平面外剛度。采用剛性樓板基本假定的分析法不僅能將結(jié)構(gòu)的位移自由度減少，計(jì)算的方法簡(jiǎn)化，而且能為筒體結(jié)構(gòu)空間薄壁的桿件理論創(chuàng)造良好的計(jì)算及使用條件。在一般的情況下，在剪力墻結(jié)構(gòu)體系及框架結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中運(yùn)用剛性樓板基本假定是可行的。但是，就豎向剛度結(jié)構(gòu)出現(xiàn)突變的情況而言，受到樓板變形的影響較大，如有些樓板的層數(shù)不多、剛度不大及抗側(cè)力構(gòu)件的間距過大等情況，尤其是結(jié)構(gòu)底部及每層頂部?jī)?nèi)力的影響更為顯著。對(duì)于以上問題，要采取一些適當(dāng)?shù)恼{(diào)整措施進(jìn)行解決。

3.3 彈性基本假定

目前，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析方法當(dāng)中，彈性基本假定

計(jì)算方法被運(yùn)用的范圍較廣。尤其在垂直荷載的計(jì)算當(dāng)中，因高層建筑結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間處于彈性的工作階段，實(shí)際工作情況與彈性基本假設(shè)的情況相吻合。但如果遭到較嚴(yán)重的自然災(zāi)害，如較大強(qiáng)風(fēng)及地震等，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)因較大的位移幅度而產(chǎn)生裂縫，從而進(jìn)入到彈塑性的工作階段。在這樣的情況下，為了能使高層建筑結(jié)構(gòu)狀態(tài)得到真實(shí)的反應(yīng)，只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用彈塑性分析方法。

3.4 計(jì)算圖形基本假定

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中三維空間的分析方法主要為計(jì)算圖形基本假定。二維協(xié)同分析沒有將側(cè)力構(gòu)件中公共的節(jié)點(diǎn)在外位移納入到分析的范圍當(dāng)中；側(cè)力構(gòu)件外的剛度及扭轉(zhuǎn)剛度并沒有受到高度重視。分析精通桿的三維空間中每一節(jié)點(diǎn)時(shí)，自由度只有六個(gè)，不足以完成分析，使用計(jì)算圖形基本假定分析法，可以彌補(bǔ)這一缺陷。

4 結(jié)束語

高層建筑的快速發(fā)展增加了對(duì)其力學(xué)及結(jié)構(gòu)分析模型等方面的諸多要求。因此，尋找新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式與正確的力學(xué)分析模型，是當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作人員的主要奮斗目標(biāo)；只有找到新型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式與正確的力學(xué)分析模型，才能使高層建筑獲得更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]都鳳強(qiáng).高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，21(8):942-943.

[2]張卓.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2009，5(18):427-428.

[3]容柏生.國(guó)內(nèi)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干新進(jìn)展[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，2(8):617-618.