高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

任元元

隨著城市化發(fā)展以及建筑用地的緊張，高層建筑將日益增多。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅應(yīng)保證高層建筑具有足夠的安全性，還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性。本文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義及依據(jù)

1.1 概念設(shè)計(jì)的意義高層建筑能做到結(jié)構(gòu)功能與外部條件一致，充分展現(xiàn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)，發(fā)揮結(jié)構(gòu)的功能并取得與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)，更好地解決構(gòu)造處理，用概念設(shè)計(jì)來(lái)判斷計(jì)算設(shè)計(jì)的合理性。

1.2 概念設(shè)計(jì)的依據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)總體系與各分體系的工作原理和力學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)和構(gòu)造處理原則，計(jì)算程序的力學(xué)模型和功能，吸取或不斷積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在各專(zhuān)業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機(jī)電管道的設(shè)置、施工技術(shù)的要求、施工工期長(zhǎng)短和投資造價(jià)的高低等。其主要特點(diǎn)有：

2.1水平力是設(shè)計(jì)主要因素在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。

2.2側(cè)移成為控制指標(biāo)與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(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)。

2.3抗震設(shè)計(jì)要求更高有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

2.4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)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(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)得出偏于不安壘的結(jié)果。

2.5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，高樓結(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?，?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能

對(duì)于一個(gè)建筑物的最初的方案設(shè)計(jì)，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點(diǎn)，而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。建筑物底面對(duì)建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，所以，在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，就必須對(duì)主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。

3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求建筑三心盡可能匯于一點(diǎn)。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。

3.3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的側(cè)移和振動(dòng)周期

建筑結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期問(wèn)題包含兩方面：合理控制結(jié)構(gòu)的自振周期；控制結(jié)構(gòu)的自振周期使其盡可能錯(cuò)開(kāi)場(chǎng)地的特征周期。

（1）結(jié)構(gòu)自振周期高層建筑的自振周期（T 1）宜在下列范圍內(nèi)：

框架結(jié)構(gòu)：T1=（0.1—0.15）N框一剪、框筒結(jié)構(gòu)：T1=（0.08-0.12）N剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)：TI=（0.04—0.10）N N為結(jié)構(gòu)層數(shù)。

結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi)：

第二周期：T2=（1/3—1/5）T1；第三周期：T3=（1/5—1/7）T1.

（2）共振問(wèn)題當(dāng)建筑場(chǎng)地發(fā)生地震時(shí)，如果建筑物的自振周期和場(chǎng)地的特征周期接近，建筑物和場(chǎng)地就會(huì)發(fā)生共振。因此在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)針對(duì)預(yù)估的建筑場(chǎng)地特征周期，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù)，選擇合適的結(jié)構(gòu)類(lèi)別和結(jié)構(gòu)體系，擴(kuò)大建筑物的自振周期與建筑場(chǎng)地特征周期的差別，避免共振的發(fā)生。

（3）水平位移特征水平位移滿足高層規(guī)程的要求，并不能說(shuō)明該結(jié)構(gòu)是合理的設(shè)計(jì)。同時(shí)還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，地震力的大小與結(jié)構(gòu)剛度直接相關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度小，結(jié)構(gòu)并不合理時(shí)，由于地震力小則結(jié)構(gòu)位移也小，位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)，此時(shí)并不能認(rèn)為該結(jié)構(gòu)合理。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)周期長(zhǎng)、地震力小并不安全。其次，位移曲線應(yīng)連續(xù)變化，除沿豎向發(fā)生剛度突變外。不應(yīng)有明顯的拐點(diǎn)或折點(diǎn)。一般情況下剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎曲型?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為剪切型t框一剪結(jié)構(gòu)和框一筒結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎剪型。

3.4 位移限值、剪重比及單位面積重度

（1）位移限值在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的輸出結(jié)果中，結(jié)構(gòu)的側(cè)移（包括層間位移和頂點(diǎn)位移）是一個(gè)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)值大小從一個(gè)側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)的整體剛度是否合適，過(guò)大或過(guò)小都說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度過(guò)小或過(guò)大（或者體現(xiàn)結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度是否均衡），以致要引起設(shè)計(jì)者對(duì)其中的結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)的豎向及平面布置合理性的再思考。

（2）剪重比及單位面積重度結(jié)構(gòu)的剪重比（也即水平地震剪力系數(shù)）λ=VEK/G是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下反應(yīng)大小的一個(gè)指標(biāo).其大小主要與結(jié)構(gòu)地震設(shè)防烈度有關(guān)，其次與結(jié)構(gòu)體型有關(guān)，當(dāng)設(shè)防烈度為7、8、9度時(shí)，剪重比分別為0.012，0.024.0.040；扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯或基本周期<3.5 s的結(jié)構(gòu)剪重比則分別為0.016，0.032，0.064.單位面積重度v0=G/A（kN/m2）是衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面取值是否合理和樓層荷載數(shù)據(jù)輸入是否正確的一個(gè)重要指標(biāo)。式中的G由以下幾部分，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、樓面建筑面層及天棚抹灰（或吊頂）重、填充墻（包括抹面層）重和樓面使用荷載組成；A則一般以地面以上的建筑面積總和計(jì)算，以便有一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的比較標(biāo)準(zhǔn)。定性地分析比較r 0值的大小，可得出以下結(jié)果，即一般內(nèi)部隔墻多的建筑（比如住宅）大于間隔墻少的建筑（比如敝開(kāi)式辦公室）；層數(shù)多的建筑略大于層數(shù)少的同性質(zhì)建筑}設(shè)防烈度高的建筑大干設(shè)防烈度低的同性質(zhì)同規(guī)模建筑，剪力墻多的建筑大于剪力墻少甚至僅為框架的建筑。一般高層建筑的單位面積重度在10-18kN/m2之間，除個(gè)別較特別的以外，多數(shù)在15kN/m2左右。

以上兩個(gè)指標(biāo)不僅在施工圖設(shè)計(jì)階段，而且在初步設(shè)計(jì)階段都是非常重要的數(shù)據(jù)，其數(shù)值正常與否從另一個(gè)側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)體系的選擇是否合適，結(jié)構(gòu)布置（包括構(gòu)件截面確定）是否合理，電算數(shù)據(jù)輸入是否正確，以及最后決定電算結(jié)果是否可信可用等，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)切不可掉以輕心，更不可認(rèn)為是無(wú)關(guān)緊要的。