高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合研究

摘 要：本文通過對高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計特點的分析，對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展進(jìn)行了闡述，討論了高層建筑的結(jié)構(gòu)建立方法，對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合指標(biāo)進(jìn)行評定，結(jié)合我國高層建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的成功經(jīng)驗，對高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法進(jìn)行系統(tǒng)的分析，對未來高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展進(jìn)行討論，為我國高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計向著更完善，更安全的方向發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：高層建筑；建筑結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活極大的豐富，人們對生活的要求已不僅僅滿足于生存狀態(tài)，對于生活質(zhì)量與生活安全的要求也越來越高。人們對生活的高質(zhì)量和高標(biāo)準(zhǔn)要求在建筑行業(yè)主要表示為對過去的遮風(fēng)擋雨需求的住宅，轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的高層電梯房、空調(diào)房、空中花園等。人們對住宅的要求越來越高，但是伴隨著樓層的增高，整個建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度也越來越大。高層建筑的設(shè)計不僅關(guān)系著整個建筑的外觀，更加關(guān)系到建筑的安全與穩(wěn)定，與人們生命、財產(chǎn)密切相關(guān)。只有對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著足夠重視，才能做出更好的設(shè)計方案，使具體施工能夠按照設(shè)計圖紙嚴(yán)格執(zhí)行，保證了高層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

1.1 水平荷載

由于建筑物自身的重量，使建筑物彎矩質(zhì)和軸力值與樓層高形成正比，而水平上的荷載使建筑結(jié)構(gòu)形成了傾覆力矩，豎構(gòu)建的軸力與樓層高形成正比。水平荷載使整個建筑結(jié)構(gòu)形成了傾覆力矩的正比例[1]。

以固定高度看，建筑物縱向荷載是基本保持不變，而水平方向載荷和地震有著密切的關(guān)系，數(shù)值會隨著建筑物結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生變化。

1.2 軸向變形

高層建筑的施工，縱向荷截值大，柱中會發(fā)生形狀的變化，使彎矩受到影響，引發(fā)連續(xù)梁間支座值變小，而跨中彎矩和座負(fù)彎矩值會變大，預(yù)制構(gòu)件長短也會產(chǎn)生變化。要按照軸向形狀的變化計算，調(diào)整好原料的長短，使剪力與側(cè)移產(chǎn)生作用，考慮好變形后產(chǎn)生的各種變化，使所有數(shù)值保持在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[2]。

1.3 側(cè) 移

側(cè)移一般容易發(fā)生于低層建筑，很少發(fā)生于樓房中，而高層建筑則很容易發(fā)生側(cè)移等問題。這個問題會影響結(jié)構(gòu)設(shè)計，隨著我國高層建筑的增多，建筑層數(shù)越來越高，越高的樓層，水平荷載的作用與側(cè)移的程度就會越高，所以，一定要控制好高層建筑中的側(cè)移問題，控制在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

1.4 結(jié)構(gòu)延性

與低層建筑相比，高層建筑物的結(jié)構(gòu)延性更弱。水平荷載和地震等因素，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)柔弱性而產(chǎn)生變形。要控制好高層建筑的質(zhì)量，防止倒塌發(fā)生，一定要在施工中，做好相關(guān)控制工作，使建筑結(jié)構(gòu)具有符合設(shè)計要求的延展性[3]。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計體系

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)，指的是使用平面剪力墻作為建筑主體的受力結(jié)構(gòu)。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，水平作用力與荷載都作用于單片剪力墻，而結(jié)構(gòu)設(shè)計依靠剛性的結(jié)構(gòu)，使建筑保持更高的剛度與強度，而位移的曲線則出現(xiàn)變曲的形態(tài)。在高層建筑中，剪力墻有很多優(yōu)勢，例如：延展性強，而且傳力均勻，更有著良好的整體性，尤其適用于超出框架的高度時，是性能良好且具有穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系[3]。

2.2 框架結(jié)構(gòu)

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般使用框架結(jié)構(gòu)時，要利用柱體和梁架及基礎(chǔ)組成平面的框架，將平面框架作為建筑主要的承重結(jié)構(gòu)，利用梁連接，實現(xiàn)平面框架組合的整體空間的結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于：可以靈活的進(jìn)行建筑平面的布置，對空間容積大的餐廳與會議室等可以更好的設(shè)置。很多時候，可以使用隔斷安設(shè)或者拆除，使建筑平面劃分為大小不同的居室，可以更好的滿足用戶的使用和需求。而高層建筑外墻會使用一些非承重的構(gòu)件，將建筑立面設(shè)計進(jìn)行調(diào)整。不過，框架結(jié)構(gòu)也有著一些缺點，框架結(jié)構(gòu)剛度小，不具有抗測力的能力。發(fā)生地震時，由于地震的作用力與水平荷載力共同作用，框架結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大幅的位移與破損，所以，一般達(dá)到15層以上的高層建筑都不使用框架結(jié)構(gòu)。不過，15層以下的建筑使用框架結(jié)構(gòu)，可以得到更好的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性與安全性[4]。

2.3 框架與剪力墻

很多時候，如果高層建筑選擇了框架結(jié)構(gòu)作為建筑的應(yīng)用，如果剛度和強度不能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，不能符合建筑要求時，可以結(jié)合使用大的剪力墻進(jìn)行配合。大的剪力墻可以將平面部位框架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行替換，將剪力墻和框架共同組成整體結(jié)構(gòu)，也就是框架-剪力墻的結(jié)構(gòu)體系。通過水平荷載作用，將剛度強的樓板與連梁與剪力墻和框架結(jié)構(gòu)共同組合成整體的結(jié)構(gòu)，一同進(jìn)行水平力的承擔(dān)。而應(yīng)用了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑，還是要靠剪力墻承擔(dān)水平剪力的作用，垂直荷載力由框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承擔(dān)，而位移的曲線會出現(xiàn)彎剪的形態(tài)[5]。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢在于：由于增加了剪力墻，可能使整個建筑的結(jié)構(gòu)體系剛度增強，而建筑位移值有效降低，同時，還能使原本框結(jié)構(gòu)承擔(dān)的水平剪力朝著豎向的方向進(jìn)行受力的分散。可見，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系較框架體系具有更好的適用性。

2.4 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)是把筒體當(dāng)作抗側(cè)力的構(gòu)件。一般的高層建筑物使用的筒體受力構(gòu)件可以分成空腹筒和實腹筒兩類?？崭雇驳氖芰?gòu)件是靠混凝土外墻和密排柱及窗裙梁等組合構(gòu)成；實腹筒則靠曲面墻和平面墻進(jìn)行組合的立體豎向的結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢在于：筒體結(jié)構(gòu)具有較大的強度和剛度，結(jié)構(gòu)體系內(nèi)各個構(gòu)件受力比較均勻，具有更好的抗震性能與抗風(fēng)性能。筒體結(jié)構(gòu)對空間和跨度大的高層建筑，可以發(fā)揮出更大的優(yōu)勢[6]。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合發(fā)展

3.1 底部空間產(chǎn)生的變化

隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的底部空間模式已經(jīng)不適用于今天高層建筑要求，高層建筑底部的空間由傳統(tǒng)演變出來，經(jīng)過變革可以更好的滿足人們的需求。傳統(tǒng)高層建筑底部空間是面臨街道，進(jìn)門電梯，由電梯達(dá)到各樓層，可現(xiàn)在的高層建筑在底部空間的設(shè)計上已經(jīng)有了很大的變化，可以更好的滿足人們的需求與品質(zhì)生活的需求。例如：在負(fù)一層和負(fù)二層增設(shè)停車場，電梯直達(dá)停車場，大廳可以更好的進(jìn)行活動的規(guī)劃。可見，高層建筑底部空間的設(shè)計已將傳統(tǒng)的建筑和環(huán)境的關(guān)系研究，發(fā)展為整個城市空間的設(shè)計與研究。人們對于交通運輸和公共活動的領(lǐng)域也進(jìn)行更開放式、立體式的設(shè)計與規(guī)劃，滿足人們的生活需求。

3.2 核分散和核分離

經(jīng)濟(jì)在發(fā)展，時代在進(jìn)步，人們對建筑功能也有了越來越高的追求和需要，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計上也就有了各種各樣不同的側(cè)重點。傳統(tǒng)的中央核心筒主流的建筑模式已不能滿足社會的需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要更多的關(guān)注于建筑周邊剛度及對地震抵抗能力的設(shè)計工作?？梢?，垂直交通與設(shè)備用房在高層建筑周圍進(jìn)行布置，可以更好的進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震。而且，這種分散的結(jié)構(gòu)模式也更適用巨型的框架結(jié)構(gòu)，可以使巨型框架結(jié)構(gòu)中巨型的支撐柱更好的發(fā)揮使用功能。從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面分析，核分散是將垂直交通與管道等在高層建筑的周圍進(jìn)行分散設(shè)置，這種設(shè)計方式，對我國高層建筑空間構(gòu)成與立體造型來說，是具有革命性意義的[7]。

3.3 形成內(nèi)核的作用

高層建筑和普通建筑有著明顯的區(qū)別，而最大的區(qū)別在于，高層建筑擁有垂直交通與管道設(shè)計集中的核作用。核，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中占有重要的地位，也直接決定了高層建筑屬于的構(gòu)成模式。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，受筒體結(jié)構(gòu)的影響，高層建筑層數(shù)越來越高，這就需要剛度強的筒進(jìn)行剪力與扭矩的承擔(dān)，這些因素都與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求相符。高層建筑中央，要靠功能型的服務(wù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成，完成中央核心筒地位的確立，筒體位于中心，可以更好的結(jié)構(gòu)建筑重心與剛度重心及形體中心的組合，可以使高層建筑更好的完成結(jié)構(gòu)受力，實現(xiàn)抗震的需求。

4 結(jié)束語

綜上所述，我國建筑行業(yè)取得了巨大的發(fā)展，而建筑行業(yè)的發(fā)展也使人們的生命和財產(chǎn)安全得到了保障。雖然，目前我國的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計還存在很多的不足之處，需要打好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，嚴(yán)格控制我國高層建筑的施工質(zhì)量，摒棄盲目追求高層建筑時尚外觀的思想，國家相關(guān)管理部門則要做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的管理工作，控制好結(jié)構(gòu)設(shè)計的監(jiān)管，才能實現(xiàn)我國城市的穩(wěn)定發(fā)展，保證高層建筑的質(zhì)量，使人們對建筑的功能需求得到滿足。

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作者簡介：羅運松（1979-），男，布依族，貴州晴隆人，本科，中級工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面工作。