高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與高層建筑結(jié)構(gòu)方案的合理性

韓波

摘 要：本文筆者結(jié)合自己的工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例，分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題，并介紹高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，并探討建筑結(jié)構(gòu)中的一些結(jié)構(gòu)體系的重要意義以及新興高層建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)方案；高層建筑；合理性

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

1.1 需要承受較大的水平荷載作用

每一個(gè)建筑都需要承受著很大的垂直荷載與水平荷載，以及地震對(duì)建筑物造成的影響。在低層和多層建筑結(jié)構(gòu)中，一般重力荷載就是其主要的控制因素，相對(duì)于影響來(lái)說(shuō)，水平的荷載較小，側(cè)向位移小。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，雖然垂直的荷載對(duì)于結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)有著很大一部分影響，但是主要起著決定作用的還是水平的荷載。并且會(huì)隨建筑層數(shù)及高度的不斷增加，水平的荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力和位移迅速增大。

1.2 軸向變形的特點(diǎn)

一般對(duì)于多層的建筑來(lái)說(shuō)，會(huì)對(duì)彎矩充分考慮，因?yàn)檩S力對(duì)于底層建筑的影響非常小，一般不去考慮剪切項(xiàng)的內(nèi)容。但是對(duì)于高層的建筑來(lái)說(shuō)，就是極為重要的一個(gè)控制點(diǎn)。從上面的公式可知，由于高層建筑的層數(shù)非常多，高度有很大，軸的力度數(shù)值也很高，而且沿高度所積累的一些軸向變形非常明顯，軸向的變形會(huì)使得高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的數(shù)值以及分布出現(xiàn)很大變化。對(duì)于一些連續(xù)性彎矩來(lái)說(shuō)，在利用框--墻結(jié)構(gòu)和框架墻結(jié)構(gòu)的高層建筑中，一般中柱所承受的軸壓普遍都會(huì)比邊柱的大。一旦房屋屬于高層建筑的時(shí)候，這種軸向變形的差別的數(shù)值就會(huì)很高，并使得連續(xù)梁之間的支座彎矩的數(shù)值變小，而跨中的正彎矩的數(shù)值逐漸增大。

1.3 側(cè)移的特點(diǎn)

與低層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，能夠可靠地承受水平荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力；還要求具有足夠的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移限制在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)，以保證有良好的居住和工作條件。

1.4 結(jié)構(gòu)的延性特點(diǎn)

對(duì)于大多數(shù)高層的建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，如在地震的作用下，結(jié)構(gòu)一般會(huì)產(chǎn)生受力變形，為了使得建筑經(jīng)過(guò)塑性的變形之后，還具有較強(qiáng)的形變能力，有效避免建筑出現(xiàn)倒塌的現(xiàn)象，尤其要在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)用合理的措施，確保建筑良好的延性。

2 高層建筑中對(duì)于結(jié)構(gòu)體系的比較分析

下面列舉較有代表性的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析：

懸掛結(jié)構(gòu)：是指采用吊桿將高樓各層樓蓋分段懸掛在主構(gòu)架上所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。主框架與矩形框架相類(lèi)似，承擔(dān)全部側(cè)向和豎向荷載，并將它直接傳至基礎(chǔ)。除主框架落地外，其余部分均從上面吊掛，可以不落地。

矩型結(jié)構(gòu)：一般有矩形框架結(jié)構(gòu)和矩形桁架結(jié)構(gòu)。矩形框架結(jié)構(gòu)由樓、電梯井組成大尺寸箱形截面矩形柱，有時(shí)也可以是大截面實(shí)體柱，每隔若干層設(shè)置一道1～2層樓高的矩形梁。它們組成剛度極大的矩形框架，是承受主要的水平力和豎向荷載的一級(jí)結(jié)構(gòu)；上下層矩形框架梁之間的樓層梁柱組成二級(jí)結(jié)構(gòu)，其荷載直接傳遞到一級(jí)結(jié)構(gòu)上，其自身承受的荷載較小，構(gòu)件截面較小，增加了建筑結(jié)構(gòu)布置的靈活性和有效使用面積。緊靠上層矩形梁的樓層，甚至可以不設(shè)柱，形成較大空間，以滿足建筑需要。矩形桁架結(jié)構(gòu)以大截面的豎桿和斜桿組成懸臂桁架，主要承受水平和豎向荷載。

其懸挑結(jié)構(gòu)：造型特殊，在外觀上比較新穎，并很有藝術(shù)特色，再加上外柱截面小、且四面周?chē)_(kāi)敞，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)很受歡迎。其特點(diǎn)是圍繞核心筒在各個(gè)方面作出懸挑，由核心承受所有的荷載，圍繞核心筒可以創(chuàng)造出沒(méi)有任何垂直支撐的平面形式，這使室內(nèi)空間的使用更加靈活、方便。

3 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系新特點(diǎn)

高層建筑內(nèi)部空間因其使用性質(zhì)和功能不同，建筑平面布置也就隨之變化。小空間平面布置方案僅適用于住宅及旅館；辦公室要求大小空間兼有；餐廳、商場(chǎng)、展覽廳等，則要求有能靈活分隔的大空間；舞廳，宴會(huì)廳和報(bào)告廳等，又要求內(nèi)部為無(wú)柱大空間。隨著結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，一些較新穎結(jié)構(gòu)體系的運(yùn)用，如懸掛、巨型、懸挑等結(jié)構(gòu)，為滿足各種使用功能要求創(chuàng)造了有利的條件。

比如廣州珠江的新城西塔的內(nèi)筒應(yīng)用的就是一種新型的鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，在外筒上采用的是新型的鋼管混凝土菱形斜交的網(wǎng)格筒，它不論是在材料上還是施工的方法上與傳統(tǒng)框筒有著很大不同。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)要求又比較高，導(dǎo)致出現(xiàn)了千變?nèi)f化的結(jié)點(diǎn)形式，也導(dǎo)致了剛接與滑動(dòng)等結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化。這些體系的新特點(diǎn)也是當(dāng)今建筑設(shè)計(jì)的一種新型突破。

4 對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的一些實(shí)例分析

某工程是公司員工宿舍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建筑共九層，總高33.5m，綜合長(zhǎng)度是85.96m。第1層為職工食堂，從2層到6層為員工的宿舍，7層到9層作為公司領(lǐng)導(dǎo)的住所。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，按七度區(qū)設(shè)防，特征周期是0.35S，地震加速度是0.15進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，主體采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，將整個(gè)的建筑結(jié)構(gòu)主要分成兩個(gè)單元，并且通過(guò)設(shè)縫將單元的長(zhǎng)度均為42.7m。因本工程室內(nèi)的墻體比較多，導(dǎo)致了邊柱與中柱都要承受很大荷載。在建筑的底層柱上應(yīng)用的是C40的混凝土材料，中柱的橫截面積大約在950×1000。在最開(kāi)始試算時(shí)，第一個(gè)周期為扭轉(zhuǎn)周期。依照技術(shù)規(guī)程之中所規(guī)定的內(nèi)容：結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主要內(nèi)容的第一自振周期是Tt和平動(dòng)為主第一自振的周期T1的比值，A高度的高層建筑這個(gè)比值不可以大于0.9。在最開(kāi)始的試算之中，Tt和T1的比值，均超過(guò)規(guī)范要求大于0.9，在之后的試算之中。通過(guò)以下措施進(jìn)行調(diào)整。

（1）加大角柱

（2）讓中柱與邊柱的橫截面積進(jìn)行減低

將底層的角柱橫截面積調(diào)整為850×800，同時(shí)將底層中柱的橫截面積調(diào)整成950×950，底層邊柱的橫截面接調(diào)整成900×950，通過(guò)結(jié)構(gòu)試算，第一個(gè)周期為平動(dòng)周期，且Tt/T1的比值為0.87，滿足規(guī)范要求，使整個(gè)結(jié)構(gòu)順利完成。但是一旦框架柱的橫截面積過(guò)大，就會(huì)對(duì)下面的一些樓層平面在使用功能上有一定的影響，比如房間與衛(wèi)生間的框架柱截面太大，就會(huì)對(duì)使用功能造成一系列影響。

目前在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般都是采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)及原來(lái)的結(jié)構(gòu)規(guī)范來(lái)規(guī)定其結(jié)構(gòu)的類(lèi)型后，并依照規(guī)范對(duì)于各種橫截面積的大小與位置進(jìn)行確定，而且一般依照實(shí)際的建筑平面以及功能對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行位置的確定之后，普遍先對(duì)截面與剪力墻的尺寸進(jìn)行確定，之后再實(shí)行復(fù)核的計(jì)算。一旦截面大小不合適或者是構(gòu)件的位置不適當(dāng)，就需要進(jìn)行重新的調(diào)整而進(jìn)行釋放的核算，直到取得了合理的構(gòu)件位置與數(shù)量以及截面的大小。所以在這個(gè)過(guò)程中要進(jìn)行很多次的計(jì)算與調(diào)整，以體現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)布置合理的重要性。但在設(shè)計(jì)中不但要滿足于上下的剪力墻能夠?qū)R，還要不影響建筑的功能，通過(guò)多次的試驗(yàn)之后在該剪力墻的布置處理之中應(yīng)用相應(yīng)原則來(lái)處理。

5 結(jié) 語(yǔ)

總之，面對(duì)復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了要提高建筑設(shè)計(jì)水平、掌握先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)外，還要以科學(xué)、合理的利用結(jié)構(gòu)工程原理為設(shè)計(jì)原則。在有效滿足建筑的功能與安全的前提下，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理性的判斷，對(duì)投資、施工時(shí)間以及空間效果等方面進(jìn)行綜合考慮，這樣才能設(shè)計(jì)出符合技術(shù)要求的高層建筑。

參考文獻(xiàn)

[1]黎春瑜，張德龍.試論高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].城市建設(shè)，2010（27）.

[2]王立，袁長(zhǎng)春，張世海.高層建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2008（2）.

[3]王躍輝.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].天津建設(shè)科技.2010（3）.