高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)探析

文智斌

(廣西華信建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣西南寧 530022)

隨著我國(guó)城市建設(shè)發(fā)展腳步的不斷加快，高層建筑得到了前所未有的發(fā)展，應(yīng)用于建筑工程中的材料、形式、力學(xué)分析模式也越來(lái)越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系更是多種多樣，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也成為了工程設(shè)計(jì)師所面臨的一項(xiàng)重大課題。因此，為了能夠滿(mǎn)足建筑的功能需求，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，對(duì)其中所涉及的要點(diǎn)進(jìn)行探討和分析是必不可少的，只有在充分掌握設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，才能夠設(shè)計(jì)出符合建筑功能要求的整體結(jié)構(gòu)。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是指在滿(mǎn)足安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)和施工可行的要求下，按有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體布置、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、計(jì)算、構(gòu)造和制圖工作，并尋求優(yōu)化的過(guò)程。建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要可以分為以下幾個(gè)方面:

1)水平荷載是決定因素。水平荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)具有重要的作用，也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所主要考慮的因素。在高層建筑中，由于豎向荷載所引起的軸力與建筑高度的一次方成正比，而水平荷載所引起的傾覆力矩及豎向構(gòu)件的軸力與建筑高度的二次方成正比。由此可見(jiàn)，隨著高層建筑高度的不斷增加，這個(gè)值也會(huì)隨之逐漸增大，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響也必然會(huì)越來(lái)越大。

2)結(jié)構(gòu)延性成為重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。延性主要是在高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中采用的，結(jié)構(gòu)延性主要是指材料的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或構(gòu)件的某個(gè)截面從屈服開(kāi)始至達(dá)到最大承載能力或達(dá)到以后而承載力還沒(méi)有顯著下降期間的變形能力。隨著荷載的不斷增加，受彎構(gòu)件受拉位置的混凝土就會(huì)出現(xiàn)裂縫的情況，嚴(yán)重的還有可能導(dǎo)致構(gòu)件被破壞。

3)軸向變形也同樣很重要。軸向變形在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也是不容忽視的。高層建筑中所涉及到的豎向荷載值往往都比較大，很容易引起柱中的軸向變形，從而對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生一定程度的影響，同時(shí)還會(huì)影響到預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度。因此，建筑設(shè)計(jì)師一定要對(duì)此給予高度的重視。

2 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

設(shè)計(jì)師如果想要對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，就必須全面了解其體系的構(gòu)成。就我國(guó)目前高層建筑的結(jié)構(gòu)體系來(lái)看，主要包括以下幾個(gè)方面:

1)剪力墻體系。剪力墻主要是指承受風(fēng)荷載或地震作用所產(chǎn)生的水平剪力的墻體。而剪力墻體系主要是受力主體結(jié)構(gòu)全部都是由平面剪力墻的構(gòu)件組成的一種體系。其不僅能夠承擔(dān)結(jié)構(gòu)中水平構(gòu)件所產(chǎn)生的豎向荷載，而且還能夠承擔(dān)外部因素所引起的振動(dòng)作用，比如地震作用以及風(fēng)力等。剪力墻本身具有較高的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)具有一定的延性，是一種不錯(cuò)的結(jié)構(gòu)體系。

2)框架—剪力墻體系。由于剪力墻本身具有較好的強(qiáng)度和剛度，因此，在框架體系的強(qiáng)度和剛度達(dá)不到建筑使用需求的時(shí)候，往往會(huì)采取安裝剪力墻的方法來(lái)代替部分框架，二者所形成的體系就是框架—剪力墻體系。其中，框架所承受的主要是垂直荷載的力量，剪力墻所承受的是水平剪力。剪力墻的設(shè)置不僅能夠在很大程度上增強(qiáng)建筑的側(cè)向剛度，使其水平位移變小，而且還能夠使框架所受的力實(shí)現(xiàn)均勻分布。

3)筒體體系。筒體結(jié)構(gòu)體系由框架—剪力墻結(jié)構(gòu)與全剪力墻結(jié)構(gòu)綜合演變和發(fā)展而來(lái)的。筒體結(jié)構(gòu)體系是將剪力墻或密柱框架集中到建筑的內(nèi)部和外圍而形成的空間封閉式的筒體。其特點(diǎn)是剪力墻集中而獲得較大的自由分割空間，目前在高層建筑中被廣泛應(yīng)用。

3 高層建筑的結(jié)構(gòu)分析

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)分析基本假定的時(shí)候，結(jié)構(gòu)分析人員通過(guò)采用彈性假定的方法來(lái)進(jìn)行。目前，彈性的計(jì)算方法已經(jīng)成為了工程上最為實(shí)用的結(jié)構(gòu)分析方法。通常情況下，建筑結(jié)構(gòu)在垂直荷載和風(fēng)力的影響下，會(huì)處于一個(gè)彈性工作階段，在這種條件下，這種彈性假定是基本符合現(xiàn)實(shí)情況的。但是如果遭受到地震和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用的時(shí)候，建筑就會(huì)根據(jù)實(shí)際情況產(chǎn)生不同程度的位移，進(jìn)入到彈塑性的工作階段。此時(shí)工作人員如果按照彈性方法對(duì)內(nèi)力和位移情況進(jìn)行計(jì)算，那么其結(jié)果必然不能夠充分反映結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，因此，必須要采用彈塑性動(dòng)力的分析方法進(jìn)行分析。此外，剛性樓板假定也是高層建筑結(jié)構(gòu)分析基本假定的內(nèi)容之一。我國(guó)目前有很多隨著當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)的不斷改革和創(chuàng)新，剪力墻成為了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不可缺少的重要形式。因?yàn)榧袅Y(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度比較大、側(cè)移能力較小、良好的抗震效果相對(duì)而言比較良好。剪力墻結(jié)構(gòu)在高層建筑的設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來(lái)越普遍，人們對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)的要求隨之越高。在原來(lái)的剪力墻基礎(chǔ)上，我們可以結(jié)合框架結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)和弊端，從而設(shè)計(jì)出一套靈活的剪力墻結(jié)構(gòu)體系，提高當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平，具體問(wèn)題具體分析，最大程度上提高和優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。

3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)靜力分析方法

剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)一般都是由它的開(kāi)洞情況造成的。一般剪力墻中，它的墻肢截面高度都是厚度的8倍。短肢剪力墻的截面高度是厚度的6.5倍左右。剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法可以利用平面有限單元法。此方法具有精準(zhǔn)性和高效性，適用于多種多樣的剪力墻。它的一些弊端也是顯而易見(jiàn)的，比如特殊開(kāi)洞墻、框支墻的過(guò)渡層的設(shè)計(jì)情況相當(dāng)復(fù)雜，容易出差錯(cuò)等。

4 建筑結(jié)構(gòu)工程特征

合理利用土地資源、空間和節(jié)約施工成本以及保證施工的質(zhì)量，是高層建筑施工過(guò)程中的主要目的。所以具備良好的空間工作性能成為高層建筑設(shè)計(jì)的必然要求，我們可以利用剪力墻結(jié)構(gòu)的雙向布置，設(shè)計(jì)出完整的結(jié)構(gòu)空間。結(jié)構(gòu)體系的主要作用是提高建筑物抗震性能，完善設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，從而保證剪力墻在應(yīng)用過(guò)程中的最佳質(zhì)量。

梁、板、柱、墻和基礎(chǔ)等構(gòu)成了建筑形體的力學(xué)構(gòu)件和體系。其實(shí)每個(gè)部位的建筑都是相輔相成的，形成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，才能定制出一套合理的工程施工方案。所以不同建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及體系的尺寸和構(gòu)成比例都需要合理科學(xué)地設(shè)計(jì)。另一方面，結(jié)構(gòu)區(qū)別于機(jī)械，它不存在零件，它的構(gòu)件具有固定性和整體性，構(gòu)件劃分也可以是人為的，比如房間或樓層等部分的劃分，就比較具有隨意性和不確定性，達(dá)到零件化的效果具有一定的挑戰(zhàn)性，也很難達(dá)到部件的規(guī)范性和全面性。為了滿(mǎn)足現(xiàn)代復(fù)雜多變的建筑結(jié)構(gòu)的要求，需要定制一套新的高層建筑施工方案。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑質(zhì)量的要求也會(huì)越來(lái)越高。為了能夠?qū)⑷藗兊囊蟪浞譂M(mǎn)足，建筑結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，這樣，不僅能夠有效解決目前市場(chǎng)上土地價(jià)格上漲給工程造價(jià)帶來(lái)的影響，有效降低了開(kāi)發(fā)商的成本，而且還能夠在確保建筑整體質(zhì)量達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，使建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足客戶(hù)的諸多需求。同時(shí)，還在很大程度上實(shí)現(xiàn)了房屋外形美觀，結(jié)構(gòu)實(shí)用、舒適的目標(biāo)。最重要的是實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)商們?nèi)〉米畲蠼?jīng)濟(jì)效益的目的。

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