關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

文靜

摘 要：隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人們對(duì)建筑物功能要求的改變，人們對(duì)建筑工程產(chǎn)品的要求也日益增高，而在整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者始終要把質(zhì)量安全作為根本目標(biāo)。本文筆者將對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)因素以及原則進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)設(shè)計(jì)點(diǎn)供予同行作為參考。

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

前 言

改革開(kāi)放之后，我國(guó)城市發(fā)展開(kāi)始與國(guó)際接軌，高層建筑更是最明顯的體現(xiàn)之一。目前我國(guó)的高層建筑在各大城市中已經(jīng)占有一定的比重，而高層建筑最為重要的是安全性與穩(wěn)定性，在此情況下，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便是為關(guān)鍵點(diǎn)，所以建筑設(shè)計(jì)人員要在掌握高層建筑結(jié)構(gòu)體系的前提下，具體分析地域情況，確保高層建筑符合安全功能以及經(jīng)濟(jì)三大標(biāo)準(zhǔn)。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則與體系分析

1.1 設(shè)計(jì)原則

（1）高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與選型，結(jié)構(gòu)體系的選擇要把抗風(fēng)性能和抗震性能放在第一位，然后再考慮經(jīng)濟(jì)效益、平立面布置方案以及構(gòu)件的連接性。相較于建筑的抗風(fēng)性能，目前國(guó)內(nèi)外更關(guān)注高層建筑的抗震性能，并要求高層建筑的抗震設(shè)計(jì)要保證整個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)有足夠的承載力延性和剛度。

（2）鋼筋混凝土高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于建筑、施工和設(shè)備三者之間的配合度，其原則是要保證經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、安全適用，建議使用新型的材料、工藝和設(shè)備。

1.2 應(yīng)用范圍

目前，我國(guó)的高層建筑常用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)體系包括以下幾種：

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)體系，就是在高層建筑中布置被稱作“剪力墻”的鋼筋混凝土墻體，其目的是提高高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力鋼度和抗剪強(qiáng)度。另外墻體也可用于維護(hù)和分格房間。剪力墻是沿橫向和縱向兩個(gè)方向正交布置，或者沿多軸線進(jìn)行斜交布置，這樣就可以同時(shí)承受水平荷載和豎向荷載。剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于荷載承受能力強(qiáng)，布局較為規(guī)整，房間造型整齊美觀，在經(jīng)濟(jì)上可以節(jié)省剛材料的開(kāi)支。另外，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的考察，我們發(fā)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能很好。剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是以較多的墻體來(lái)承受荷載，這也就決定了這種結(jié)構(gòu)不適于大房間的布置，所以為了能夠在像會(huì)議室和門廳等這些大面積的公共用房也使用剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)師會(huì)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在建筑物的部分底層或者部分層用框架代替剪力墻，也叫做框支剪力墻結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)不適于地震多發(fā)區(qū)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)的底層柱子的剛度比上層小很多，一旦遭遇地震，上下層柱子會(huì)發(fā)生劇烈的變形。

（2）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，將框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，綜合了兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，既有較強(qiáng)的抗震能力和剛度又有布置靈活的特點(diǎn)，被廣泛用于高層建筑中的公寓和辦公樓等。

（3）框架結(jié)構(gòu)體系，是高層建筑結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的形式之一。這種結(jié)構(gòu)體系的承重構(gòu)件是基礎(chǔ)、梁、柱以及樓板，其中主要承重結(jié)構(gòu)是由梁、柱和基礎(chǔ)組成的平面框架，承重原理是將各個(gè)平面框架連接起來(lái)，形成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系其優(yōu)點(diǎn)是平面布置靈活性高，立面設(shè)置較為簡(jiǎn)單，建筑自重較輕。

（4）筒體結(jié)構(gòu)體系，這一結(jié)構(gòu)體系彌補(bǔ)了平面工作狀態(tài)的剪力墻和框架結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)方面的缺陷。具體設(shè)計(jì)方案是用剪力墻來(lái)組成空間薄壁筒體，形成豎向懸臂箱形梁，以增加柱子的密度來(lái)增強(qiáng)梁的剛度，還可以用一個(gè)或者多個(gè)筒體作為主要構(gòu)件承受水平荷載。筒體結(jié)構(gòu)的型式有以下幾種：

①筒中筒結(jié)構(gòu)，顧名思義，這種結(jié)構(gòu)是由內(nèi)、外兩個(gè)筒體構(gòu)成，內(nèi)筒是剪力墻簿壁筒，而外筒就是由密柱組成的框筒。外柱的密度較大，其主要作用是抗震和抗風(fēng)。

②巨型結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系是將由若干根大面積的實(shí)體柱子或者電梯井組成的巨型柱子和巨梁構(gòu)成的巨型框架作為一級(jí)結(jié)構(gòu)，承受所有方向的荷載，而其他樓面的柱子和梁所構(gòu)成的二級(jí)結(jié)構(gòu)，只是把樓面的荷載傳遞給一級(jí)框架結(jié)構(gòu)。因?yàn)槎?jí)結(jié)構(gòu)的柱梁截面比較小，所以建筑布置的靈活性很高。

③框架筒體結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)原理和框架剪力墻結(jié)構(gòu)很相似，主要是承受水平荷載，具體布置情況是在中央設(shè)置剪力墻簿壁筒作為主要承受構(gòu)件，在周邊布上大柱距的普通框架作為輔助承受構(gòu)件。

④成束筒結(jié)構(gòu)，也就是將多個(gè)剪力墻薄壁筒體設(shè)置成束，一般這種結(jié)構(gòu)適合于平面形狀復(fù)雜的建筑。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

相較于其他建筑結(jié)構(gòu)，高層建筑結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且計(jì)算工作量也較大，同時(shí)結(jié)構(gòu)體系的選擇會(huì)直接影響到高層建筑工程的各個(gè)環(huán)節(jié)，其中包括平面布置、樓層高度、施工技術(shù)以及工程造價(jià)等，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要注意以下幾個(gè)方面：

2.1 嚴(yán)格控制側(cè)移指標(biāo)

高層建筑與其其他建筑的不同最直接的表現(xiàn)是樓層多，這也是決定高層建筑結(jié)構(gòu)的根本因素。因?yàn)榻ㄖ叨仍礁撸胶奢d對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)向形變的影響會(huì)越明顯，兩者之間的關(guān)系可以用公式△=qH4/8EI表示，解釋為變形程度與建筑高度的4次方成正比例的關(guān)系。另外，還有很多因素影響著建筑結(jié)構(gòu)，比如在建筑形式、結(jié)構(gòu)體系以及建筑材料等方面的發(fā)展，這也就要求設(shè)計(jì)師們?cè)谶M(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還要注重結(jié)構(gòu)的抗推剛度，以保證水平荷載所產(chǎn)生的側(cè)移在一定范圍內(nèi)，不然會(huì)發(fā)生一些嚴(yán)峻情況，如會(huì)對(duì)住戶的心理造成恐慌；造成建筑的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞；側(cè)移產(chǎn)生的較大的附加內(nèi)力會(huì)造成建筑物倒塌；造成墻體損壞，影響電路運(yùn)行等。

2.2 減輕建筑自重

由于高層建筑有著更多的樓層，所以其建筑自重也較大。同樣的樁基承載力或者地基承載力能夠承受的建筑自重一樣時(shí)，當(dāng)兩棟建筑物的層數(shù)一樣，那么建筑自重較小的建筑就可以再添加幾層樓層，這對(duì)高層建筑來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)很好提高經(jīng)濟(jì)效益的入手點(diǎn)。當(dāng)然，這只是針對(duì)地基較為結(jié)實(shí)和土層較硬的情況來(lái)說(shuō)的。另外，減輕建筑自重還可以提高建筑的抗震性能，如當(dāng)建筑自重很大時(shí)，其重心也較高，那么地震所產(chǎn)生的地震剪力大對(duì)建筑物的損壞力度就會(huì)變大。

2.3 綜合把握概念設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)

建筑的抗震設(shè)計(jì)包括概念設(shè)計(jì)和計(jì)算設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。計(jì)算設(shè)計(jì)的前提是要有一定的假設(shè)條件，由于地震的不確定因素較多，即使計(jì)算設(shè)計(jì)的分析手法和原則在不斷改善，但假設(shè)終究還是不能完全代表現(xiàn)實(shí)，所以計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況存在較大的出入是極有可能的事，特別是在建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)歷過(guò)彈塑性階段以后，常規(guī)的計(jì)算原理已經(jīng)不適用了。因此，除了計(jì)算設(shè)計(jì)，還要把握好概念設(shè)計(jì)，將兩者有效地結(jié)合在一起使用，盡可能地模擬出真實(shí)的地震影響。

2.4 注重水平力在設(shè)計(jì)中的影響

與低層建筑不同，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)起到?jīng)Q定性影響的水平荷載，但這并不是說(shuō)豎向荷載對(duì)于高層建筑就不重要，只是其重要性相較于水平荷載來(lái)說(shuō)較弱一些。原因是建筑的豎向荷載對(duì)豎向構(gòu)件所產(chǎn)生的彎矩和軸力的數(shù)值與建筑高度的一次方成正比例關(guān)系；水平荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的傾覆力矩和軸力的數(shù)值與建筑高度的二次方成正比例關(guān)系。另外，對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，豎向荷載一般是建筑自重，而水平荷載涉及到地震作用和風(fēng)作用，其數(shù)值變化幅度較大，不易控制。

2.5 加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)一直是一個(gè)關(guān)注點(diǎn)，抗震設(shè)計(jì)的水平直接與建筑的安全性能和經(jīng)濟(jì)性能掛鉤。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)中，有兩大因素是應(yīng)重點(diǎn)考慮的，分別是豎向荷載和風(fēng)荷載，好的抗震性能的標(biāo)準(zhǔn)是“小震不壞，大震不倒”。

2.6 緊抓軸向變形問(wèn)題

框架剪力墻體系和框架體系的特點(diǎn)是框架中柱的軸壓應(yīng)力通常比邊柱的軸壓應(yīng)力大很多，同時(shí)在軸向壓縮變形這一方面上也是如此如果建筑的高度達(dá)到一定高度時(shí)，框架中柱與邊柱在軸向變形上的差距就會(huì)達(dá)到一個(gè)很大的數(shù)值，導(dǎo)致連續(xù)梁中間支座沉陷，發(fā)生劇烈的變形，最終使建筑物發(fā)生倒塌。

3 結(jié)束語(yǔ)

城市化發(fā)展的加速，促使高層建筑結(jié)構(gòu)體系也在不斷地更新，除了文中所述的幾種結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)實(shí)生活中還有很多結(jié)構(gòu)，但不管是哪一種結(jié)構(gòu)體系，建筑設(shè)計(jì)人員都要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的了解之后，再進(jìn)行運(yùn)用，以確保高層建筑設(shè)計(jì)的安全經(jīng)濟(jì)。

參考文獻(xiàn)

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