談高層建筑結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計要點(diǎn)

楊曉峰

(大同市規(guī)劃設(shè)計院，山西大同 037006)

0 引言

一般說來，高層建筑在設(shè)計時比較重視實(shí)際的結(jié)構(gòu)計算設(shè)計，但是初期的概念設(shè)計并不容忽視，應(yīng)當(dāng)引起我們的重視。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，擺在結(jié)構(gòu)工程師面前的問題首先就是如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型。高層建筑結(jié)構(gòu)的選型通常是有一定的規(guī)律可循的。它不但要考慮建筑的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)效益，還要充分考慮對施工安裝可能造成的影響。所以在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理解決高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型問題是非常重要的。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)選型的重要性

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，這主要表現(xiàn)在:

1)多元化和綜合功能的發(fā)展趨勢導(dǎo)致對高層建筑方案平立面的形狀和內(nèi)容空間分布的多樣化、復(fù)雜化和個性化提出要求。為了能夠增加建筑的凈高，大部分的高層建筑對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的形式要求有所提高，因此高層建筑所存在的一些問題日益凸顯。

2)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有優(yōu)化的必要性及可優(yōu)化的空間并且其所帶來的效益日益明顯。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，第一就是要將它的形式進(jìn)行優(yōu)化，之后是對其布局和構(gòu)建的參數(shù)優(yōu)化。

3)高層建筑需要考慮的影響因素越來越多，而且越來越復(fù)雜。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，綜合功能與功能的多變要求我們對選型的信息知識需求愈加龐大。而且選型的結(jié)果也越來越受人為因素影響。

2 對高層建筑結(jié)構(gòu)選型的思考

綜合性強(qiáng)是選型工作所具有的特性，其中包括很多確定或者不確定的因素，以及受到很多條件和因素的影響。建筑高度與功能的發(fā)展需求在不斷發(fā)生變化，所以這要求我們除了要考慮工程造價與企業(yè)單位的投資能力，還應(yīng)該要綜合考慮對所選結(jié)構(gòu)形式建筑功能的能源供應(yīng)、施工條件、建筑材料、建筑工程的適應(yīng)性等等。

2.1 從總結(jié)構(gòu)體系的角度對建筑進(jìn)行分析

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系一般有:框架結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和異型柱框架結(jié)構(gòu)。下面對它們分別進(jìn)行分析:

1)框架結(jié)構(gòu):其構(gòu)件主要包括框架梁、柱和樓板。柱網(wǎng)的布置靈活多樣和方便獲取較大的使用空間是其主要特點(diǎn)。因?yàn)槠溲有韵鄬Σ诲e，所以填充墻一般可以選用輕質(zhì)的隔墻以減輕建筑結(jié)構(gòu)的自重。造價低的框架應(yīng)該要進(jìn)行縱橫雙向的布置，以便最終形成雙向抗側(cè)力體系。但是內(nèi)凸的框架則會影響建筑的使用功能，而且橫向側(cè)移的剛度相對較小，導(dǎo)致抗震性能相對較差。地震中的填充墻損壞非常嚴(yán)重，所以其修復(fù)費(fèi)用也相當(dāng)高。其適用高度范圍一般為:60 m(6度設(shè)防)。

2)框架—剪力墻結(jié)構(gòu):此結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)是利用電梯間，將之作為鋼筋混凝土的核心筒來抵抗絕大部分的水平荷載?？蚣苤淖饔弥饕浅惺茇Q向荷載，框架結(jié)構(gòu)布置靈活，能夠滿足大空間的房屋需求，還有相對較大的剛度與相對較強(qiáng)的抗震能力。但是框架—剪力墻也存在一些缺點(diǎn):因?yàn)楣δ芤蠹袅λ贾玫奈恢脮艿胶芏嘞拗?，所以一般都不能避免的產(chǎn)生鋼心、質(zhì)心不重合的結(jié)果，造成偏心扭矩，并且容易對內(nèi)凸框架柱的使用產(chǎn)生一定的影響。其所適用的一般范圍是130 m以下(6度設(shè)防)。

3)異型柱框架結(jié)構(gòu):這是一種新派生的結(jié)構(gòu)框架形式。它所具備的特點(diǎn)除了框架結(jié)構(gòu)以外，同時還很好的處理了建筑平面與墻同寬的異型柱的使用問題。但是就拿異型柱和框架柱進(jìn)行一個比較，異型柱的剛度與承載能力要好很多，而且其規(guī)范與要求也比框架結(jié)構(gòu)更高。所以這種結(jié)構(gòu)多用于多層建筑(比如:別墅)。高層建筑僅適用于8層小高層，適用高度范圍一般都是24 m(6度設(shè)防)。

4)剪力墻結(jié)構(gòu):一般來說，剪力墻所承受豎向荷載和水平荷載的能力相對較強(qiáng)。它的主要特點(diǎn)是整體性好且側(cè)向剛度大，水平力作用下側(cè)移小，能夠方便房間內(nèi)部的布置。能夠通過在合適的位置開結(jié)構(gòu)洞，以便形成若干斷肢剪力墻，用來調(diào)整整體的剛度。并且還可以采用輕質(zhì)填充墻來減輕結(jié)構(gòu)的自重以及工程造價。其缺點(diǎn)為:尚不能提供較大空間房屋的結(jié)構(gòu)且延性很差、造價很高。其實(shí)用高度的范圍一般是140 m以下(6度設(shè)防)。

5)筒體結(jié)構(gòu):框架—核心筒結(jié)構(gòu)一般是由實(shí)體的核心筒與外框架組成。在一般單位設(shè)計中，都會把電梯間和一些服務(wù)用房集中在核心筒內(nèi)，其他需要相對較大空間的辦公用房與商業(yè)用房等等一般都會布置在外框架的部分。因?yàn)楹诵耐彩怯蓛蓚€方向的剪力墻所形成的封閉的空間結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)相對于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性與抗側(cè)剛度要更強(qiáng)一些。且其鋼心和質(zhì)心的偏差很小。其適用的高度范圍一般都是150 m以下(6度設(shè)防)。

2.2 下部結(jié)構(gòu)的選型

高層建筑的最重要的組成部分就是其基礎(chǔ)。它能夠把從上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的巨大荷載傳送到地基。高層建筑基礎(chǔ)形式選擇的好壞，不但對結(jié)構(gòu)的安全有影響，而且對樓房的造價、施工工期等都有很大的作用。高層建筑基礎(chǔ)形式主要有下面幾種類型:

1)柱下獨(dú)立基礎(chǔ):大多適用于層數(shù)不多且土質(zhì)相對較好的框架結(jié)構(gòu)。

2)交叉梁基礎(chǔ):就是雙向?yàn)闂l形的基礎(chǔ)。主要適用于層數(shù)不多且土質(zhì)一般的框架、剪力墻、框架—剪力墻等的結(jié)構(gòu)。

3)片筏基礎(chǔ):大多在層數(shù)不多、土質(zhì)較弱或者是層數(shù)較多但土質(zhì)較好的情況下使用。如果基巖埋置的深度足夠深，且地下水位又很高，但是距離地表不深的地方還有一定的承載力與一定厚度的持力層時，則選用片筏基礎(chǔ)。這不但可以節(jié)省投資還能夠縮短工期。但是由于片筏基礎(chǔ)的剛度相對較弱，所以在使用時要注意對基礎(chǔ)不均勻的沉降、變形與裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。如果地下水位很高的話，就一定要進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

4)復(fù)合基礎(chǔ):主要適用于層數(shù)相對較多或是土質(zhì)相對較弱的情況?？捎糜谔钔?、飽和和非飽和粘性土。高粘結(jié)強(qiáng)度復(fù)合地基的代表是CFG樁復(fù)合地基。當(dāng)前已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到高層建筑地基的建設(shè)當(dāng)中。它不但適用于條形和獨(dú)立基礎(chǔ)，同時也可以用于筏基與箱形基礎(chǔ)。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

1)水平荷載成為決定高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的決定因素。第一，由于房屋的自重與樓面所使用的荷載在豎構(gòu)件里面所引起的軸力與彎矩只和房屋的高度成正比。而水平荷載對于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，還有因此而在豎構(gòu)件中所引起的軸力，其與房屋高度的二次方成正比。第二，對某一定高度的房屋來說，豎向荷載在一定程度上是一個定值，但是由于水平荷載與地震的作用，它的數(shù)值伴隨著結(jié)構(gòu)動力特性的不同而產(chǎn)生相對較大的幅度的變化。

2)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，從而會對連續(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，跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大;還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進(jìn)行調(diào)整;另外對構(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，會得出偏于不安全的結(jié)果。

3)側(cè)移成為控制指標(biāo)。與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(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)。

4)結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標(biāo)。相對于較低樓房而言，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?，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

4 結(jié)語

高層建筑業(yè)在一步步向前發(fā)展，市場需求也日趨復(fù)雜化和多元化。為能夠滿足當(dāng)前的市場需求，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師必須嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行并充分發(fā)揮主動性和創(chuàng)造力，以工程實(shí)際情況為依據(jù)，掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點(diǎn)及要點(diǎn)，設(shè)計出理想的格局，為后期施工創(chuàng)造良好的設(shè)計版圖。

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