對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題探討

楊松　楊國(guó)靖

【摘 要】 本文先通過(guò)對(duì)高層建筑的特點(diǎn)開(kāi)始分析，然后對(duì)其結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)相關(guān)的基本要求進(jìn)行了闡述，最后還提出了一些對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議。

【關(guān)鍵詞】 載荷；結(jié)構(gòu)；高層建筑；設(shè)計(jì)；抗震

1、高層建筑特點(diǎn)

1.1 在建筑面積和建設(shè)場(chǎng)地面積相同的比值情況下，建造高層建筑比多層建筑能夠提供更多的空閑地面，將這些空閑地面用作綠化與休息場(chǎng)地，這樣可以有利于美化環(huán)境，并帶來(lái)更充足的采光、日照與通風(fēng)效果。比如在新加坡一個(gè)新建的居住區(qū)中，因?yàn)榻ㄔ炝烁邔咏ㄖ?，所以留下了更多地面空間，可以更好地建設(shè)城市綠化與人們休閑活動(dòng)空間。

1.2 高層建筑中的豎向交通大部分是由電梯來(lái)完成，這樣就會(huì)增加建筑物的造價(jià)，如果從建筑防火的角度來(lái)看，高層筑的防火要求要高于中低層建筑，也會(huì)增加高層建筑的工程造價(jià)和運(yùn)行成本。

1.3 在相同的建設(shè)場(chǎng)地當(dāng)中，建造高層建筑能獲得更多的建筑面積，這樣可以部分解決城市地價(jià)高漲與用地緊張的問(wèn)題。設(shè)計(jì)精美的高層建筑還可以為城市增加景觀，如上海的金茂大廈與馬來(lái)西亞首都的石油大廈等。但高層建筑太多、太密集也會(huì)對(duì)城市帶來(lái)熱島效應(yīng)，玻璃幕墻過(guò)多的高層建筑群還可能造成光污染現(xiàn)象。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)

隨著高度與層數(shù)的增加，水平作用對(duì)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。高層建筑的抗側(cè)剛度、承載能力、材料用量、抗震性能與造價(jià)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，適用于不同的高度、層數(shù)和功能。

2.1 框架結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(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(guò)節(jié)點(diǎn)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?。豢蚣芙Y(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。

2.2 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。

現(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(diǎn)：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(shí)，是一個(gè)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。

在承受水平力作用時(shí)，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(diǎn)是結(jié)構(gòu)層間位移隨樓層增高而增加。

根據(jù)施工方法的不同，可以分為：全部用預(yù)制墻板裝配而成的剪力墻；全部現(xiàn)澆的剪力墻；內(nèi)墻現(xiàn)澆、外墻為預(yù)制裝配的剪力墻。

2.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分剪力墻，使剪力墻與框架兩者結(jié)合起來(lái)；取長(zhǎng)補(bǔ)短；共同抵抗水平荷載，就組成了框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。如果把剪力墻布置成筒體，又可以稱之為框架—筒體結(jié)構(gòu)體系。

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)的剛度與承載能力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因此，也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（隔墻及外墻）的損壞，這樣無(wú)論在地震區(qū)還是非地震區(qū)，這種結(jié)構(gòu)型式都可以用來(lái)建造較高的高層建筑，當(dāng)前，這種結(jié)構(gòu)型式在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。

2.4 巨型結(jié)構(gòu)。巨型結(jié)構(gòu)一般由兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成。第一級(jí)結(jié)構(gòu)超越樓層劃分，形成跨若干樓層的巨梁、巨柱（超級(jí)框架）或者是巨型衍架桿件（超級(jí)衍架），以這巨型結(jié)構(gòu)來(lái)承受水平力和豎向荷載，樓面作為第二級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)上。

不同的結(jié)構(gòu)體系所具有的強(qiáng)度與剛度都是不一樣的，所以，它們所適合應(yīng)用的高度自然也就不同。一般所說(shuō)，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—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(shí)，可用筒體結(jié)構(gòu)。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

3.1 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

（1）不應(yīng)該采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系。建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)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)該杜絕因?yàn)椴糠值慕Y(jié)構(gòu)或者是構(gòu)件的破壞而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承受重力荷載、地震和風(fēng)荷載作用的能力；

2）對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)該采取有效地措施予以加強(qiáng)。

3）應(yīng)該具有一定的承載能力、剛度和變形能力；

（2）高層建筑的結(jié)構(gòu)體系尚宜符合下列要求：

1）應(yīng)該具有多道的抗震防線。

2）水平布置與結(jié)構(gòu)的豎向都應(yīng)該具有合理的剛度和承載力分布，這樣可以避免因局部突變與扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而形成薄弱部位；

3.2 規(guī)則結(jié)構(gòu)的主要特征。

建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)該對(duì)稱，規(guī)則、并且還應(yīng)該具有良好的整體性，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，建筑的立面與豎向剖面宜規(guī)則豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸與材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與承載力的突變。

日常所說(shuō)的規(guī)則結(jié)構(gòu)就是指：結(jié)構(gòu)平面布置對(duì)稱、均勻并且具有較好的抗扭剛度；體型（平面和立面）規(guī)則；結(jié)構(gòu)豎向布置均勻，結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和質(zhì)量分布均勻，也沒(méi)有突變。

3.3 規(guī)則平面布置需滿足的要求。

結(jié)構(gòu)平面布置一定要考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，傳力直接，受力明確，力爭(zhēng)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(jiǎn)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，平面形狀宜對(duì)稱、簡(jiǎn)單、規(guī)則，以減少震害。

在那些每一個(gè)高層建筑的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，應(yīng)該把結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻。不應(yīng)該采用嚴(yán)重的不規(guī)則的平面布置。同時(shí)抗震設(shè)計(jì)的B級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑，他的平面布置也應(yīng)該是規(guī)則、和簡(jiǎn)單，這樣有助于減少偏心。

4、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在許多高層建筑當(dāng)中，豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生很重要的影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾嘏c樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所導(dǎo)致的彎矩與軸力的數(shù)值，僅僅和建筑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)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比；另一方面，對(duì)一定高度建筑來(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)值是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力性的不同而有較大的變化。對(duì)一些較柔的高層建筑，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，隨著建筑物高度的增高，風(fēng)荷載的影響越來(lái)越大。高層建筑中除了地震作用的水平力以外，主要的側(cè)向荷載是風(fēng)荷載，在荷載組合時(shí)往往起控制作用。因此，高層建筑在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)引起了研究人員和工程師們的重視。

建筑的重量和地震效應(yīng)是成正比，減輕房屋的自重是提高結(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)上的地震力大，還由于重心高地震作用傾覆力矩大，對(duì)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。

結(jié)語(yǔ)

因?yàn)楦邔咏ㄖ捏w形比較高大，那么高層建筑就存在很多的問(wèn)題，像高技術(shù)、高難度、高風(fēng)險(xiǎn)等都需要大量的技術(shù)工作人員去解決。加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，可以避免許多安全事故的發(fā)生。

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