對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點的研究

烏魯木齊建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 830092

摘要：高層建筑目前在我們的城市建設(shè)當(dāng)中所占的比例是越來越大，而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的變化也越來越多，很多新興的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以迅猛的速度呈現(xiàn)在我們的城市建設(shè)中。建筑類型與功能越來越復(fù)雜，高層建筑的數(shù)量口漸增多，高層建筑的結(jié)構(gòu)體系也是越來越多樣化，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也越來越成為高層建筑工程設(shè)計工作的難點與重點。

關(guān)鍵詞：高層結(jié)構(gòu)；布局；總體

一、高層結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計

在實踐中，設(shè)計人員的建筑設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計是相互協(xié)調(diào)、相互影響的，在初步設(shè)計之前做的工程項目來設(shè)定一個總體方案是概念設(shè)計的目的，根據(jù)使用功能、設(shè)計意圖、現(xiàn)場的建筑條件、材料的來源以及業(yè)主對項目資金的使用等許多方面因素的要求，這樣對下一步的設(shè)計、施工和維護使用能做到又快又省力。目前來說，高層建筑結(jié)構(gòu)體系分幾種類型：①剪力墻結(jié)構(gòu)；②框架結(jié)構(gòu)；③框架剪力墻結(jié)構(gòu)④框架核芯筒結(jié)構(gòu)；⑤筒中筒結(jié)構(gòu)；在這么多的結(jié)構(gòu)體系中，讓設(shè)計師們可供選擇一種或幾種結(jié)構(gòu)體系用來備選，在建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計時確定。透過建筑結(jié)構(gòu)的計算和各個方面的技術(shù)經(jīng)濟比較確定最為經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系。

二、高層建筑的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在其結(jié)構(gòu)的布局上比較的關(guān)鍵。現(xiàn)代的高層建筑在規(guī)劃的規(guī)程中，各功能區(qū)的設(shè)計，需要基于現(xiàn)代人的生活理念，進行合理的布局。

1、高層結(jié)構(gòu)在承受力方面，尤其是垂直方向，需要承受較大的壓力

因此，在高層建筑的地基設(shè)計時，首要的任務(wù)就要保障地基受力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計。于是，在地基的設(shè)計過程，地基的承載力是最大的，隨著樓層的增加，結(jié)構(gòu)的受力逐漸的減小。這樣的設(shè)計理念，可以很好的平衡建筑結(jié)構(gòu)的受力狀況。尤其是垂直承受方向，堅固的地基設(shè)計是樓層安全的關(guān)鍵。

2、基于高層建筑的特殊承受力要求，使得其在設(shè)計結(jié)構(gòu)的選擇上，需要采用整體性能穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，進而很好的保障了樓層承載力的需求

從實際的設(shè)計理念看，現(xiàn)代的高層建筑一般采用剪力墻、筒體、箱型等的設(shè)計。這幾種設(shè)計做法，可以很好地克服高層建筑帶來的強大承受力。尤其是剪力墻的設(shè)計元素，在當(dāng)今的設(shè)計之中使用的非常的廣泛，而且有很強的實際效果。該種結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，就是可以在建筑的過程中，其可以形成相對獨立的結(jié)構(gòu)體系。同時，獨立的結(jié)構(gòu)體系，在結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、延性上都比較的優(yōu)良，這對于高層建筑來說是非常的重要，尤其是優(yōu)良的結(jié)構(gòu)延性，便于樓層整體結(jié)構(gòu)的形成，并且在受力的過程中，能夠?qū)⑹芰ρ由熘两Y(jié)構(gòu)的各個部位，進而很好的對受力進行均勻分布。

三、建筑結(jié)構(gòu)總體布置

我們通過選擇合理的結(jié)構(gòu)體系以及較好的結(jié)構(gòu)布置，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理科學(xué)。往往完美的建筑設(shè)計方案的效果也都是需要結(jié)構(gòu)不斷的想辦法去實現(xiàn)的，但是有很多的建筑方案有時候會要求結(jié)構(gòu)犧牲安全性和經(jīng)濟性去達到建筑的美觀效果，我們應(yīng)該深入去分析結(jié)構(gòu)的安全性，原則性的問題絕對不能遷就建筑，以防止造成結(jié)構(gòu)功能和安全上的問題。結(jié)構(gòu)布置要全面考慮以下幾個因素方面：

1、控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形和位移比

建筑的結(jié)構(gòu)一般都要同時承受豎向荷載、水平荷載。水平荷載會使側(cè)移隨結(jié)構(gòu)的高度增加而變大，因此，在水平荷載的作用下，如果建筑高度超出一定的范圍后，就會造成結(jié)構(gòu)發(fā)生過大側(cè)移和相對的位移，有時甚至?xí)?yán)重地破壞結(jié)構(gòu)構(gòu)件，所以，我們要把控制側(cè)向位移作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和難點來解決，一般情況下，要以限制結(jié)構(gòu)的高度和高寬比為控制手段。

層間位移比是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)。其限值在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《高規(guī)》中均有明確的規(guī)定。需要指出的是，新規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定作出的，如果在結(jié)構(gòu)模型中設(shè)定了彈性板，則必須在軟件參數(shù)設(shè)置時選擇“對所有樓層強制采用剛性樓板假定”，以便計算出正確的位移比。在位移比滿足要求后，再去掉“對所有樓層強制采用剛性樓板假定的選擇，以彈性樓板設(shè)定進行后續(xù)配筋計算。剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要因素，也是影響重力二階效應(yīng)（P—△效應(yīng)）的主要參數(shù)。通常用增大系數(shù)法來考慮結(jié)構(gòu)的重力二階效應(yīng)，如考慮重力二階效應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移可用未考慮P—△效應(yīng)的計算結(jié)果乘以位移增大系數(shù)，但保持位移限制條件不變（框架結(jié)構(gòu)層間位移角 ≤1/550）；考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件重力二階效應(yīng)的端部彎矩和剪力值，可采用未考慮P—△效應(yīng)的計算結(jié)果乘以內(nèi)力增大系數(shù)。

2、平面布置

平面布置的選擇主要是根據(jù)建筑工程的實際情況來確定，如果是獨立的結(jié)構(gòu)單元，則采用形狀較為簡單，而且要根據(jù)相對應(yīng)、相協(xié)調(diào)的原理，剛度和承載力分布要呈現(xiàn)出比較均勻的形狀。此外，根據(jù)抗震設(shè)計的要求，高層建筑單個的結(jié)構(gòu)單元長度要控制在一定的范圍內(nèi)，不能太長，否則在發(fā)生地震時，結(jié)構(gòu)的兩端可能會出現(xiàn)反相位的振動，這將會導(dǎo)致建筑被過早地破壞，同時威脅到人們的安全。

設(shè)計中的扭轉(zhuǎn)問題

幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心是建筑結(jié)構(gòu)的三心，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時盡量將三心匯于一點，即三心合一。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)計時選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉(zhuǎn)作用的大小取決于質(zhì)量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動，應(yīng)使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下，由于城市規(guī)劃對街道景觀的要求以及建筑場地的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當(dāng)需要采用不規(guī)則L形、T形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時，應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，同時，在結(jié)構(gòu)平面布置時，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)處于對稱狀態(tài)。

3、豎向布置

為了避免過大的外挑和內(nèi)收，結(jié)構(gòu)的豎向布置應(yīng)遵循形體規(guī)則、剛度和強度沿高度均勻分布的原則，而在同一層的樓面，要設(shè)在統(tǒng)一標(biāo)高處以防止錯層和局部夾層的情況出現(xiàn)。而在面對高層建筑時，還要注意解決結(jié)構(gòu)剛度和強度發(fā)生變化的情況，對于這種情況，應(yīng)逐漸變化。

轉(zhuǎn)換層 結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)換層概念，主要是指在整個建筑結(jié)構(gòu)體系中，合理解決豎向結(jié)構(gòu)的突變性轉(zhuǎn)化和平面的連續(xù)性變化的結(jié)構(gòu)單元體系。它在主要滿足結(jié)構(gòu)安全功能要求的同時，多數(shù)情況下解決一些特殊技術(shù)性建筑功能要求。由于轉(zhuǎn)換層位置的增高，結(jié)構(gòu)傳力路徑復(fù)雜、內(nèi)力變化較大。高規(guī)10.2.2條規(guī)定：帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其剪力墻底部加強部位的高度應(yīng)從地下室頂板算起，宜取至轉(zhuǎn)換層以上兩層不宜小于房屋高度的1/10。相比于02規(guī)程，將墻肢總高度的1/8改為房屋總高度的1/10。

新規(guī)范將02規(guī)范“框支梁”改為更廣義的轉(zhuǎn)換梁。轉(zhuǎn)換梁包括部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的框支梁以及上面托柱的框架梁，是帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)換構(gòu)件。轉(zhuǎn)換梁應(yīng)按梁建模、按墻分析、按梁設(shè)計。轉(zhuǎn)換梁受力復(fù)雜，高規(guī)10.2.7提出了比一般框架梁更高的要求。

原規(guī)范的“框支柱”改為“轉(zhuǎn)換柱”。轉(zhuǎn)換柱包括部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中的框支柱和筒體等結(jié)構(gòu)中支承托柱轉(zhuǎn)換梁柱。隨著地震作用的增大，落地剪力墻逐漸開裂、剛度降低，轉(zhuǎn)換柱承受的地震作用逐漸增大，所以高規(guī)10.2.10條規(guī)定轉(zhuǎn)換柱不僅在內(nèi)力上調(diào)整，在構(gòu)造配筋上要比普通框架柱高。為保證轉(zhuǎn)換構(gòu)件的設(shè)計安全度并具有良好的抗震性能。高規(guī)10.2.4條規(guī)定：特一、一、二級轉(zhuǎn)換構(gòu)件的水平地震作用計算內(nèi)力應(yīng)分別乘以增大系數(shù)1.9，1.6，1.3；轉(zhuǎn)換構(gòu)件應(yīng)按本規(guī)程第4.3.2條的規(guī)定考慮豎向地震作用。軟件在內(nèi)力組合時對地震內(nèi)力進行放大。

4、縫的設(shè)置和構(gòu)造

建筑結(jié)構(gòu)的總體布置應(yīng)該要考慮到沉降、溫度收縮和形體復(fù)雜對結(jié)構(gòu)帶來的不利影響?？梢岳贸两悼p、伸縮縫或防震纏把結(jié)構(gòu)分成若干個獨立單元，以消除沉降差、溫度應(yīng)力和形體復(fù)雜對結(jié)構(gòu)的不利影響。但如果設(shè)縫，就會對建筑的使用要求、立面效果、防水處理帶來不便。因此，在設(shè)縫上必須要謹(jǐn)慎對待，盡量能從總體布置上或構(gòu)造上采取其他有效的措施來減少沉降、溫度收縮和形體復(fù)雜引起的問題。

四、結(jié)語

總之，隨著高層建筑規(guī)模和型式的不斷發(fā)展，追求結(jié)構(gòu)形式新穎、受力合理的目標(biāo)將是結(jié)構(gòu)設(shè)計工作者的目標(biāo)和方向。加強優(yōu)化設(shè)計的實施，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅應(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)濟性、合理性。

參考文獻：

[1]沈蒲生.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：高等教育出版社.2003.

[2]方鄂華主編.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社.2 00 2（05）.

[3]張琴芝.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題探討[J].廣東科技.2009（12）.