對當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的探析

陳秋生

摘要：隨著社會技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，高層建筑的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷地更新，對其設(shè)計(jì)風(fēng)格也進(jìn)行了積極的探索和改變，這都將推動現(xiàn)代高層建筑的迅速發(fā)展。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)工作，是建造建筑物的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對建筑物的安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性有著重要的意義。因此工程技術(shù)人員要結(jié)合專業(yè)知識、施工技術(shù)要求、地質(zhì)情況、開發(fā)商設(shè)計(jì)要求等，合理設(shè)計(jì)建筑物高度和建筑結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：高層；建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；要點(diǎn)

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1水平作用是決定因素。首先，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力及彎矩的數(shù)值，僅僅和建筑高度的一次方成正比，但是水平作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩和在豎向構(gòu)件中引起的軸力，與建筑高度的兩次方成正比；另外，對一些一定高度的建筑來說，豎向荷載基本上是固定值，但作為水平作用的地震作用和風(fēng)荷載卻是不確定的。

1.2結(jié)構(gòu)延性成為重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。延性是指構(gòu)件和結(jié)構(gòu)屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。受彎構(gòu)件會隨著荷載的增加，首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，出現(xiàn)彈塑性變形，然后受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)高度降低，受壓區(qū)混凝土被壓碎，最后導(dǎo)致構(gòu)件被破壞。

1.3在高層建筑中，豎向荷載數(shù)值會較大，會在柱中引起很大的軸向變形，從而導(dǎo)致對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生一系列的影響，使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值變小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值變大，對預(yù)制構(gòu)件的下料長度也會產(chǎn)生影響，這就要求依據(jù)軸向變形計(jì)算值，對下料的長短做出相應(yīng)調(diào)整；另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移也會產(chǎn)生影響。不考慮構(gòu)件豎向變形與考慮構(gòu)件豎向變形相比較，計(jì)算結(jié)果會偏于不安全。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)中地基是建設(shè)施工的基礎(chǔ)。建筑設(shè)計(jì)師在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中要對建筑地基進(jìn)行全面了解，要對建筑結(jié)構(gòu)和建筑環(huán)境進(jìn)行全面分析，確保將環(huán)境和施工有效結(jié)合在一起，提高設(shè)計(jì)的可實(shí)行性。我國的建筑環(huán)境差異較大，地質(zhì)情況各不相同，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中設(shè)計(jì)人員要對地質(zhì)狀況進(jìn)行深入研究，確保施工順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)人員要首先對地質(zhì)水位進(jìn)行勘探，對地質(zhì)數(shù)據(jù)、上層結(jié)構(gòu)類型、使用功能、施工條件進(jìn)行綜合考慮。其次要對周圍建筑環(huán)境安全進(jìn)行研究，觀察建筑物沉降或傾斜狀況。最后要對建筑物設(shè)置位置及標(biāo)高進(jìn)行了解，對建筑施工科學(xué)性進(jìn)行分析，確保施工順利進(jìn)行。

2.2建筑結(jié)構(gòu)受力性能

對于初始的建筑設(shè)計(jì)，建筑師考慮更多的建筑的空間組合，而不是詳細(xì)地確定其具體的結(jié)構(gòu)。建筑物底面建筑空間的形式在水平方向和垂直方向的穩(wěn)定性是非常重要的，因?yàn)橐恍┙ㄖ锸怯捎执笥种氐慕M合物的組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而在建筑設(shè)計(jì)的一個基本要求是要理清所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，因此在建筑設(shè)計(jì)階段的程序，必要對主要承重柱和承重墻的數(shù)量和分布的做出整體構(gòu)想。

2.3水平荷載問題

施工的過程中影響建筑質(zhì)量的因素主要有：垂直荷載、風(fēng)力產(chǎn)生的水平荷載、地震抵抗力等。水平荷載對建筑質(zhì)量起決定性作用。水平荷載是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素，對樓房自重及樓面自重等方面有較大影響，可以對樓房結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾覆，增大了建筑豎向構(gòu)件的作用力。設(shè)計(jì)人員要對水平荷載的大小和方向進(jìn)行分析，對水平荷載可能導(dǎo)致的高層建筑結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行預(yù)防和控制，加強(qiáng)對建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化效果，減少水平荷載造成的建筑結(jié)構(gòu)問題。

2.4建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問題

建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心，建筑三心盡可能匯于一點(diǎn)，即三心合一，這是是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中沒有做到三心合一，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞，要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)效果的大小取決于質(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，使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等規(guī)則平面形式。在某些情況下，由于街景與建筑空間的限制，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T形、L形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時，應(yīng)將突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)設(shè)計(jì)布局時，最大可能使建筑狀態(tài)的結(jié)構(gòu)是對稱的。

2.5房屋高度、高寬超限問題

高層建筑的高寬比，是對結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制。某些高層建筑房屋高度超過最大適用高度或高寬比超出規(guī)定限值，甚至個別建筑高度和高寬比均超出規(guī)定限值。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對于房屋的高度、長寬比和尺寸的復(fù)雜程度超過現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的高層建筑，應(yīng)按超限高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時，另一點(diǎn)不容忽視的問題是，房屋適用高度除與結(jié)構(gòu)體系類型及抗震設(shè)防烈度有關(guān)外，還與場地類別與結(jié)構(gòu)是否規(guī)則等因素有關(guān)，當(dāng)位于Ⅳ類場地或結(jié)構(gòu)平面與豎向布置不規(guī)則時，其最大適用高度應(yīng)適當(dāng)降低。

2.6結(jié)構(gòu)延性問題

高層建筑結(jié)構(gòu)具有較好柔和性，滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”及設(shè)計(jì)要求的抗震性能目標(biāo)。為了提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震作用，設(shè)計(jì)人員要對建筑結(jié)構(gòu)塑性形變進(jìn)行強(qiáng)化，設(shè)計(jì)滿足“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”，保證高層建筑在進(jìn)行塑性形變的過程中仍具有較強(qiáng)的抵抗變形能力。要在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理強(qiáng)度強(qiáng)化，對高層建筑邊角、高層建筑底座等部分適當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造措施，保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性，加強(qiáng)高層建筑的安全性和穩(wěn)定性。

2.7結(jié)構(gòu)選型問題

高層建筑結(jié)構(gòu)施工工藝在一定程度上不僅會影響到建筑施工材料的消耗，還在很大程度上影響到工期和質(zhì)量。因此在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)選型的過程中，設(shè)計(jì)人員要對建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行全面控制，對建筑結(jié)構(gòu)工藝進(jìn)行合理選取。在進(jìn)行選型的過程中，設(shè)計(jì)人員要對高層建筑結(jié)構(gòu)平面及立面進(jìn)行控制，保證將建筑結(jié)構(gòu)的幾何中心、剛度中心、結(jié)構(gòu)中心有效匯于一點(diǎn)，提高單獨(dú)結(jié)構(gòu)的控制效果。要注意將建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析進(jìn)行完善，保證建筑施工的受力效益和受力特性，對高層建筑結(jié)構(gòu)選型概念階段進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證建筑施工的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)人員要對選型環(huán)境、工藝、施工效果等因素進(jìn)行全面考慮，提高建筑結(jié)構(gòu)的綜合效益，減少可能出現(xiàn)的工程資源消耗和工程資源浪費(fèi)現(xiàn)象。

2.8抗震及連梁問題

在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的過程中，高層建筑一般不采取單純框架結(jié)構(gòu)體系，常選取框架一剪力墻、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)等完成對自身結(jié)構(gòu)的加固和抗震。這種方法可以有效提高對地震的抵抗效果，提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。除此之外，高層建筑在進(jìn)行內(nèi)力和位移計(jì)算的過程中還常使用彈性剛度。彈性剛度可以有效解決連梁超筋或截面超過剪壓比的問題，提高連梁設(shè)計(jì)效果。在結(jié)構(gòu)計(jì)算時，設(shè)計(jì)人員可以對連梁的剛度適當(dāng)進(jìn)行降低，對剛度系數(shù)進(jìn)行折減。當(dāng)折減后建筑結(jié)構(gòu)仍不能滿足設(shè)計(jì)的需要和要求，設(shè)計(jì)人員可以適當(dāng)對連梁進(jìn)行內(nèi)調(diào)幅，但是在實(shí)際調(diào)幅過程中要保證調(diào)幅力度低于20%。

3.結(jié)語

高層建筑在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系中已經(jīng)如此發(fā)達(dá)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)人員追求更加合理的力學(xué)模型和更新穎的建筑物結(jié)構(gòu)形式，在這一個方向上經(jīng)過高素質(zhì)高知識結(jié)構(gòu)的專業(yè)化人才不斷探索，我們可以期待，高層建筑在城市中的應(yīng)用將變得空前廣闊。

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