復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)研究

吳松松

摘要：目前，隨著社會(huì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，高層建筑和超高層建筑日漸增多，相比普通建筑，其在建筑結(jié)構(gòu)有著明顯的區(qū)別。本文首先闡述了復(fù)雜高層建筑的發(fā)展?fàn)顩r，其后對(duì)高層結(jié)構(gòu)基本規(guī)定與布置原則進(jìn)行了分析，最后對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索，希望能夠?qū)?fù)雜高層建筑的發(fā)展提供參考和建議。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);關(guān)鍵技術(shù)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市用地日漸緊張，城市建筑物開(kāi)始轉(zhuǎn)向高空發(fā)展，建筑物的增高和公眾審美的多樣化促使設(shè)計(jì)師不斷的創(chuàng)新和變化建筑形態(tài)。高層建筑的內(nèi)部空間和體形日漸復(fù)雜多變，越來(lái)越復(fù)雜的高層建筑結(jié)構(gòu)給建筑設(shè)計(jì)師帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。建筑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中不但要結(jié)合最新的材料、工藝和最先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，而且還要與結(jié)構(gòu)工程師充分溝通交流，探求最為科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)，促使高層建筑結(jié)構(gòu)在理想的情況下又能切合實(shí)際情況。作者結(jié)合自身多年的工作經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，深入淺出的對(duì)復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析探討。

1.復(fù)雜高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀

1.1復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系、體型

在20世紀(jì)末，隨著施工技術(shù)的不斷創(chuàng)新進(jìn)步及很多高性能建筑材料的使用，高層建筑結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣化趨勢(shì)。例如：錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)等的出現(xiàn)和應(yīng)用。此外，隨著業(yè)主需求的多樣化，復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的建筑功能要求也日益增多?？傊诙喙δ?、多用途的要求下，高層建筑立面體型和平面布置日益復(fù)雜。圓形、三角形等多樣式的結(jié)構(gòu)平面組合日漸出現(xiàn)在人們的視野里。豐富多變的高層建筑立面體型也層出不窮，高層建筑的剛度沿豎向發(fā)生突變。

1.2新技術(shù)和新材料的應(yīng)用

20世紀(jì)末。高性能的混凝土和高強(qiáng)度的鋼材憑借優(yōu)秀的性能在復(fù)雜高層建筑的施工建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。混凝土的強(qiáng)度等級(jí)逐漸向高等級(jí)發(fā)展，高耐火性、可焊性和韌性的鋼材應(yīng)用越來(lái)越廣泛。采用全鋼結(jié)構(gòu)、鋼混組合的高層建筑越來(lái)越多，這樣不但增強(qiáng)了建筑的安全性，而且還大大減輕了建筑結(jié)構(gòu)的重量。加速了高層建筑結(jié)構(gòu)的多樣化和復(fù)雜性發(fā)展。新技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用加之新材料的使用促使復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展更加迅速，反之，復(fù)雜高層建筑的快速發(fā)展也加速了新技術(shù)和新材料的應(yīng)用。

2.復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)基本規(guī)定與布置原則

高層建筑選擇結(jié)構(gòu)體系時(shí)，不但要考慮建筑結(jié)構(gòu)的高度之外，還要充分考慮到建筑物的剖面形狀、平面和總體型以及當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)風(fēng)格。建筑設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)初步階段就應(yīng)進(jìn)行選擇。

2.1 復(fù)雜高層建筑總高度與高寬比

在選擇高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，要充分考慮到各種因素，房屋高度和高寬比、施工現(xiàn)場(chǎng)條件、施工材料、施工場(chǎng)地類(lèi)型以及抗震設(shè)防烈度等級(jí)和抗震類(lèi)別等均要充分考慮。A、B級(jí)是鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)適用的高度，其中A等級(jí)比B等級(jí)高度低，相比A級(jí)，高層建筑結(jié)構(gòu)最大適度可適度放寬。但相應(yīng)的在構(gòu)造措施、結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)和相關(guān)計(jì)算方面要更加嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)高寬比要控制在5-6內(nèi)。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)剛度以及經(jīng)濟(jì)合理性和承載能力的綜合控制是高層建筑的高寬比的重要目的。

2.2復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置

為便于建筑工業(yè)化的發(fā)展，要盡量減少高層建筑的構(gòu)建類(lèi)型、開(kāi)間、進(jìn)深尺度。在布置結(jié)構(gòu)平面時(shí)，不但做到明確受力、傳力直接、做到均勻?qū)ΨQ的情況，而且還要充分考減少扭轉(zhuǎn)的影響，便于抵抗豎向和水平的應(yīng)力作用。建筑平面在荷載作用下要做到規(guī)則簡(jiǎn)單，可放寬風(fēng)荷載作用、對(duì)于那些不對(duì)稱的高層建筑結(jié)構(gòu)要充分考慮到受應(yīng)力扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的不利影響。

2.3復(fù)雜高層 結(jié)構(gòu)豎向布置

布置結(jié)構(gòu)豎向時(shí)，剛度要連續(xù)而均勻，剛度要避免出現(xiàn)突變的情況。改變豎向剛度的原因主要有以下兩個(gè)方面：1、突然改變剪力墻、抗側(cè)力結(jié)構(gòu)框架和筒體等;2、建筑結(jié)構(gòu)的豎向體型發(fā)生改變。建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度和承載力在實(shí)際工程抗震時(shí)自下而上進(jìn)行遞減，通常情況下改變豎向分段混凝土強(qiáng)度以及構(gòu)建截面尺寸，這樣可以讓剛度自下而上遞減。

2.4 復(fù)雜高層抗震投計(jì)的基本原則

抗震能力是建筑物設(shè)計(jì)的必要考慮因素，特別是對(duì)復(fù)雜高層建筑。建筑設(shè)計(jì)抗震目的要做到“大震不倒、中震可修、小震不壞”。因此，復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要滿足以下幾個(gè)基本原則：1、場(chǎng)地選擇時(shí)要避開(kāi)不利場(chǎng)地，盡可能選擇有利場(chǎng)地，確保有穩(wěn)定的地基;2、選擇科學(xué)合理的建筑結(jié)構(gòu)體系，不同的結(jié)構(gòu)體系的抗震能力有著明顯的差異，抗震能力較差的有純框架結(jié)構(gòu)，而框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)不但有著性能，而且抗震能力較強(qiáng);3、結(jié)構(gòu)平面布置要做到對(duì)稱、簡(jiǎn)單、規(guī)則，要盡量減少縮頸部位以及凹角;4、豎向體型盡量要做到筆直，不宜過(guò)多內(nèi)收，也盡量不要外挑，要做到均勻改變剛度，以免因?yàn)椴痪鶆虍a(chǎn)生的變形集中;5、復(fù)雜高層建筑中那些突出的樓頂為能夠很好的承受高振型產(chǎn)生的鞭梢效應(yīng)影響，其延性和承載力必須性能必須優(yōu)良，特殊情況下可以使用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu);6、為保證安全性和穩(wěn)定向，建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造和設(shè)計(jì)方面要做到多道設(shè)防。例如為保障框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)采取強(qiáng)柱弱梁的方式，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成連梁首先屈服，然后是墻肢，框架作為第二道防線;剪力墻結(jié)構(gòu)通過(guò)構(gòu)造措施保證連梁先屈服，并通過(guò)空間整體性形成多次超靜定等。

3.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

當(dāng)前，在當(dāng)前工程界，因?yàn)槭芰γ黠@、抗側(cè)剛度、結(jié)構(gòu)自重比轉(zhuǎn)換梁小以及清楚的傳力途徑等優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換桁架在復(fù)雜高層建筑中有著廣泛的應(yīng)用。此外，桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在大型管道等設(shè)備系統(tǒng)布置以及采光和通風(fēng)方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)換層的建筑空間可以充分利用，在保障建筑功能的情況有著優(yōu)異的建筑藝術(shù)效果。

當(dāng)采用空腹桁架、斜桿桁架或迭層桁架作轉(zhuǎn)換構(gòu)件時(shí)，桁架下弦宜施加預(yù)應(yīng)力，形成預(yù)應(yīng)力混凝土桁架轉(zhuǎn)換構(gòu)件，以減小因桁架下弦軸向變形過(guò)大而引起桁架及帶桁架轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)在豎向荷載下次內(nèi)力的影響和提高轉(zhuǎn)換桁架的抗裂度和剛度。采用轉(zhuǎn)換桁架將框架一核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)的上部密柱轉(zhuǎn)換為下部稀柱時(shí)，轉(zhuǎn)換桁架宜滿層設(shè)置，其斜桿的交點(diǎn) 宜為上部密柱的支點(diǎn)。當(dāng)桁架高度超過(guò)層高時(shí)，轉(zhuǎn)換構(gòu)件宜采用迭層桁架。帶桁架轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須遵循以下原則：“強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層及其下部、弱化轉(zhuǎn)換層上部”;桁架轉(zhuǎn)換上部框架結(jié)構(gòu)按“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)邊柱弱中柱”的原則;桁架轉(zhuǎn)換按“強(qiáng)斜腹桿、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的原則。通常情況下，為了確保塑性鉸在梁端出現(xiàn)，使柱比梁有更大的安全儲(chǔ)備，轉(zhuǎn)換桁架上部框架結(jié)構(gòu)按“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)邊柱弱中柱” 的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中上部結(jié)構(gòu)必須滿足軸壓比要求、抗剪要求及構(gòu)造要求，柱按普通鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確定截面尺寸。特殊情況下，當(dāng)很難滿足軸壓比的要求時(shí)，轉(zhuǎn)換桁架下層柱的軸壓比，轉(zhuǎn)換桁架以下柱可采用高強(qiáng)混凝土柱、鋼骨混凝土柱等有效方法來(lái)調(diào)整截面尺寸、剛度及 其延性。

4.結(jié)語(yǔ)

總而言之，高層建筑已經(jīng)成為了現(xiàn)在建筑發(fā)展的趨勢(shì)，在高層建筑快速發(fā)展的今天，設(shè)計(jì)人員除了要熟練掌握復(fù)雜高層建筑的基本設(shè)計(jì)規(guī)范、抗震設(shè)計(jì)以及布置原則之外，更要注重引進(jìn)應(yīng)用新理念、新技術(shù)。隨著我國(guó)建筑設(shè)計(jì)水平的快速發(fā)展，相信不久之后我國(guó)復(fù)雜高層建筑設(shè)計(jì)就能夠達(dá)到西方發(fā)達(dá)國(guó)家水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]霍小平.高層建筑創(chuàng)作中的結(jié)構(gòu)構(gòu)思[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2006，（07），19～23

[2]鄭茂川.建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[M].科技圖書(shū)股份有限公司，2006.104-106

[3]聶建國(guó)，田淑明，矯金廣.框架—核心筒組合結(jié)構(gòu)體系在選型中的剛度規(guī)律[J].建筑科學(xué)與工程報(bào)，2008，25（1）.101-102