高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見問題分析

林慧

摘 要：近年來，高層建筑在我國得以快速的發(fā)展，在建筑中所占比例越來越大。隨著高層建筑技術(shù)的發(fā)展，其建筑結(jié)構(gòu)處于不斷的變化中，而且越來越復(fù)雜，同時(shí)建筑類型和功能也開始向復(fù)雜化方向發(fā)展，這就給高層建筑結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)工作帶來了較大的難度。在這種情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案發(fā)展得越來越快，很多新興的方案呈現(xiàn)在人們面前，這就給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，需要在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)放在首要的位置，對結(jié)構(gòu)總體布置、高度、材料選用結(jié)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)、剛度和設(shè)計(jì)要點(diǎn)等進(jìn)行具體的分析，確保設(shè)計(jì)出優(yōu)質(zhì)的高層建筑結(jié)構(gòu)。

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

前言

城市建設(shè)進(jìn)程的加快，大量人口涌入到城市當(dāng)中，城市用地呈現(xiàn)非常緊張的局面，在這種情況下，高層建筑項(xiàng)目得以快速發(fā)展起來。高層建筑由于其垂直高度較大，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要具有良好的承載力和抗震性，所以對于建筑材料、施工技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有越來越高的要求。特別是目前高層建筑結(jié)構(gòu)開始向復(fù)雜化和多樣化的方向發(fā)展，這就給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師帶來了更大的挑戰(zhàn)。

1 結(jié)構(gòu)總體布置問題

高層建筑結(jié)構(gòu)的總體布置主要包括對高層建筑的高度、平面、立面和體型等方面進(jìn)行選擇，確?？傮w布置能夠完全滿足建筑、施工和結(jié)構(gòu)的具體要求。同時(shí)還要對建筑使用功能進(jìn)行充分的考慮，確保各項(xiàng)服務(wù)設(shè)施、開間、進(jìn)深、層數(shù)、層高以及平面關(guān)系和體型等都能夠滿足使用功能的需求。對于使用過程中的便利性、經(jīng)濟(jì)和美學(xué)需求也要進(jìn)行考慮。另外還要確保后期的維護(hù)費(fèi)用具有較好的經(jīng)濟(jì)性。在選擇先進(jìn)的施工技術(shù)，提高工業(yè)化程序，有效地實(shí)現(xiàn)對工程造價(jià)的控制。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其他工程存在著很大的不同，所以需要將結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行確定，確定了結(jié)構(gòu)體系后，則需要將總體布置與建筑設(shè)計(jì)有效地進(jìn)行結(jié)合，確保高層建筑的造型和傳力路線具有合理性。高層建筑中，建筑物的布局和結(jié)構(gòu)直接影響著建筑物的動(dòng)力性能，所以在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)就需要對地震、房屋體型、結(jié)構(gòu)體系和剛度等進(jìn)行全面的分析設(shè)計(jì)。

2 建設(shè)的高度問題

目前我國對于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)開始向超高層方向發(fā)展，對于高層建筑的高度，我國的根據(jù)當(dāng)前我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和施工技術(shù)水平進(jìn)行了全面的規(guī)定，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中出現(xiàn)許多超高度的情況。國家并不提倡超過高度限制的高層建筑，因?yàn)樵诟叨炔粩嗌叩那闆r下，對建筑整體的抗震性能會(huì)帶來一定的影響，一旦發(fā)生地震，對超高層建筑具有較大的危害性。特別是在建筑不斷升高的情況下，建筑會(huì)有更多的質(zhì)變發(fā)生，使建筑本身各項(xiàng)性能受到較大的影響，不利于建筑的安全性。

3 材料的選用結(jié)構(gòu)體系問題

近年來地震發(fā)生的較為頻繁，對于處于地震多發(fā)區(qū)的高層建筑，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)建筑材料和結(jié)構(gòu)體系更是需要考慮的關(guān)鍵。目前對于超過150米的高層建筑，在結(jié)構(gòu)選擇上多以框-筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)和框架-支撐結(jié)構(gòu)為主。對于高層建筑，在發(fā)達(dá)國家地震多發(fā)區(qū)，其多以鋼結(jié)構(gòu)為主，而在我國，由于鋼筋混凝土內(nèi)筒對于地震作用剪力具有更好的承受能力，所以結(jié)構(gòu)多數(shù)以鋼筋混凝土和混合結(jié)構(gòu)為主。

在結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主時(shí)，就應(yīng)該以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(zhǔn)來控制結(jié)構(gòu)變形。但鋼筋混凝土具有較大的彎曲側(cè)移變形，如果依靠很小剛度的鋼框架協(xié)同工作來降低這種側(cè)移，不僅會(huì)對鋼結(jié)構(gòu)造成負(fù)擔(dān)，也起不到較好的效果。因此，也可采用加大混凝土筒的剛度或者設(shè)置相應(yīng)的伸臂結(jié)構(gòu)，從而形成一層加強(qiáng)層，來減少側(cè)移量。此外，當(dāng)柱距發(fā)生變化或結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化時(shí)，需要設(shè)計(jì)有效的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。而加強(qiáng)層與轉(zhuǎn)換層的共同作用，會(huì)對結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生壓力，使與加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層相鄰的構(gòu)件剪力突增，這種情況下加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接部位很難形成強(qiáng)柱弱梁。

所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，如果需要設(shè)置加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層，應(yīng)該選擇合理的結(jié)構(gòu)模式，以降低結(jié)構(gòu)本身的剛度為主要考慮內(nèi)容。建議在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該盡可能的采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土或者鋼結(jié)構(gòu)，可通過減少柱斷面尺寸的方法來提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。當(dāng)建筑超過一定高度后，通?？蛇x擇鋼骨混凝土來減小風(fēng)振。

4 扭轉(zhuǎn)的問題

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)的三心（幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心）要盡可能的匯集在一點(diǎn)上。所謂的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題，就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)三心沒有做到合一，使水平荷載下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。為了避免建筑發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選擇的合理的形式及平面布局，盡量做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑的質(zhì)量分布是其扭轉(zhuǎn)作用大小的決定性因素。建筑的平面應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)成方形、矩形、圓形或正多邊形等簡單的平面形式。很多情況下高層建筑由于各種因素干擾，不可能全部采用相對簡單的平面形式，當(dāng)需要采用較為復(fù)雜的平面形式時(shí)，需要控制好凸出部分的厚度與寬度比值，保證其在允許范圍內(nèi)。另外，結(jié)構(gòu)的平面也應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)成對稱形狀。

5 結(jié)構(gòu)的剛度問題

在對高層建筑剛度設(shè)計(jì)時(shí)，由于設(shè)計(jì)人員理念的不同，所以在設(shè)計(jì)上也存在一定的差異，這就導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中存在著較大的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)差異。高層建筑的抗震性能受其抗側(cè)移剛度影響較大，在土地較好巖基埋深較淺的地區(qū)，基礎(chǔ)多以樁基為主，這樣整體建筑的持力層就會(huì)落在微化的巖層當(dāng)中，地基具有較好的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，這種情況下在對抗需剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就可以稍微低一些，其控制標(biāo)準(zhǔn)可以以結(jié)構(gòu)極限變形能力為主。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)時(shí)，確保其在符合變形限值的情況下，結(jié)構(gòu)剛度盡可能設(shè)計(jì)得要小，這樣對于抗震性和減少共振的發(fā)生具有極其重要的作用。

6 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

長期以來在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，較多的注意水平荷載的控制作用，在設(shè)計(jì)時(shí)對于側(cè)面位移的控制更為關(guān)注。而對側(cè)移影響最大的因素則是軸向變形，這就要求在結(jié)構(gòu)選型時(shí)需要進(jìn)行全方位的考慮。特別是當(dāng)前高層建筑的高度不斷增加，在這種情況下，對柱、墻和井筒具有較高的要求，所以在設(shè)計(jì)時(shí)對于豎向結(jié)構(gòu)體系的控制則更為關(guān)鍵。在高度增加的情況下，側(cè)向力所產(chǎn)生的剪切變形和傾覆力矩也會(huì)有所提高，這都是在設(shè)計(jì)時(shí)不能忽視的重要問題。

7 結(jié)束語

近年來隨著高層建筑發(fā)展的速度不斷加快，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要不斷的強(qiáng)化自身技術(shù)水平的提升，具有高度的責(zé)任心，加強(qiáng)自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，能夠在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中對每一道設(shè)計(jì)工序都能夠做到有效的處理，對存在的問題進(jìn)行全方位的考慮，確保高層建筑各項(xiàng)性能都能達(dá)到相關(guān)規(guī)范的要求，確保其具有良好的安全性和穩(wěn)定性。

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