淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李啟用

【摘 要】主要研究高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型、參數(shù)選擇、長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了討論分析，以某商務(wù)辦公樓設(shè)計(jì)為實(shí)例，討論了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】高層建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

城市吸引著越來(lái)越多的人口，城市越來(lái)越擁擠，推動(dòng)了城市高層建筑的建設(shè)。隨著人們生活水平的提升，人們對(duì)高層建筑功能的要求越來(lái)越多，給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很多困難，需要設(shè)計(jì)人員組織學(xué)習(xí)新的設(shè)計(jì)理念，采用更科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，才能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

一、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

（一）基本步驟

抗震設(shè)計(jì)最常見(jiàn)的是基于性能的抗震設(shè)計(jì)方式，結(jié)合工程建筑場(chǎng)地條件、設(shè)防烈度、房屋高度以及建筑平面、立面不規(guī)則程度，結(jié)合業(yè)主對(duì)建筑抗震性能的要求和經(jīng)濟(jì)情況，選擇合適的性能、目標(biāo)，從而編制設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行論證和專家評(píng)審。

（二）抗震性能目標(biāo)設(shè)定、選用

建筑物抗震性能目標(biāo)是在設(shè)定地震作用下達(dá)到預(yù)期性能標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際工程中，性能目標(biāo)的選擇需要對(duì)建筑場(chǎng)地條件、設(shè)防烈度以及建筑高度和建筑不規(guī)則超限程度等綜合考慮。建筑超限程度會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)延性產(chǎn)生直接影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力較高則不對(duì)延性變形能力提出很高要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力較低，則延性變形性能要求較高。選擇超限程度時(shí)需要對(duì)二者進(jìn)行協(xié)調(diào)。

（三）設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于性能的地震設(shè)計(jì)方法在工程應(yīng)用中比較簡(jiǎn)單，常見(jiàn)的方法主要有基于承載力、基于位移和能量設(shè)計(jì)三種。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)首先需要進(jìn)行工程的分析判別，對(duì)建筑方案高度、結(jié)構(gòu)類型、規(guī)則性、抗震標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行全面分析，將其作為抗震性能目標(biāo)主要依據(jù)。之后對(duì)建筑物設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、重要性、造價(jià)等因素進(jìn)行綜合考慮，選擇合適的抗震目標(biāo)，性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)抗震目標(biāo)可參考下表：

表1-1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

A B C D

多遇地震 1 1 1 1

設(shè)防烈度地震 1 2 3 4

罕遇地震 2 3 4 5

地震地面運(yùn)動(dòng)是不可測(cè)的，所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地震作用下非線性分析計(jì)算模型以及參數(shù)選用方面也有著很多經(jīng)驗(yàn)因素，工程建設(shè)缺少實(shí)際震害驗(yàn)證，難以獲得較高的準(zhǔn)確度，例如超高建筑自振周期較長(zhǎng)，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則，則抗震性能的準(zhǔn)確判斷更加困難，所以選擇性能目標(biāo)時(shí)應(yīng)該盡量偏于保守和安全。

之后進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算分析和工程判斷，是性能設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析判斷的基礎(chǔ)上找到結(jié)構(gòu)薄弱位置，采取必要的加強(qiáng)措施，必要時(shí)要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)抗震性能分析論證工作主要有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

1.分析結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度和是否超過(guò)規(guī)范適用范圍，界定建筑結(jié)構(gòu)是否為超限結(jié)構(gòu)。

2.認(rèn)定場(chǎng)地條件、抗震設(shè)防類別以及地震參數(shù)。

3.進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性和彈塑性分析，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果合理性的分析判斷。

4.分析判斷結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，確定地震作用下的薄弱部位，采取必要的加強(qiáng)措施。

5.首次使用的工程結(jié)構(gòu)方案或者另類結(jié)構(gòu)方案，在地震概念分析和計(jì)算分析結(jié)果都沒(méi)有把握的情況下，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)對(duì)其安全性進(jìn)行論證。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)及參數(shù)設(shè)置

以某商業(yè)辦公高層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行討論。該主樓采用鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。

（一）設(shè)計(jì)依據(jù)

1.項(xiàng)目場(chǎng)地巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告

2.項(xiàng)目場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告

3.國(guó)家有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程

（二）參數(shù)設(shè)置

表2-1 常規(guī)參數(shù)設(shè)置

混凝土 C30-C60普通混凝土

鋼筋 HRB400

鋼材 Q235B、Q345B、Q345GJ

風(fēng)載荷 0.55KN/ ㎡

根據(jù)地勘報(bào)告，建筑場(chǎng)地類別，為II類場(chǎng)地，按照安評(píng)報(bào)告反應(yīng)譜，分析多遇地震作用：

（2-1）

上式中：T-反映周期；

=0.10s；

-放大反應(yīng)譜；

，衰減系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算可獲得地震參數(shù)：

表2-2 地震參數(shù)設(shè)置

地震 重現(xiàn)周期（年） 基準(zhǔn)超越概率（%） 地震加速最大值（cm/s2） 特征周期（s） 地震水平影響極值

多遇地震 50 63% 18（38） 0.45（0.40） 0.04

設(shè)防烈度 475 10% 50（110） 0.45（0.50） 0.14

罕遇地震 1600-2400 2% 125（225） 0.45（0.50） 0.28

三、長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）結(jié)構(gòu)選型

辦公主樓選擇鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)規(guī)則，質(zhì)量剛度分布比較合理，并且豎向構(gòu)件上下連續(xù)貫通，核心筒作為有效的抗震抗風(fēng)體系，通過(guò)內(nèi)填混凝土顯著提高了鋼管壁的穩(wěn)定性，對(duì)建筑立面復(fù)雜要求適應(yīng)性很強(qiáng)。樓蓋結(jié)構(gòu)選擇鋼梁、壓型鋼板混凝土組合樓板，地下一層頂板是上部結(jié)構(gòu)嵌固端，選擇現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)樓板。

（二）結(jié)構(gòu)彈性分析

上部結(jié)構(gòu)的柱、梁以及斜撐構(gòu)件全部使用桿件模擬，剪力墻使用殼模擬，樓板有彈性和剛性兩種形式。確定分析模型和參數(shù)后使用SATWE軟件進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算和結(jié)果分析，獲得相關(guān)結(jié)論。

四、時(shí)程波的選取

（一）反應(yīng)譜延長(zhǎng)

各國(guó)的抗震規(guī)范都普遍使用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜來(lái)表達(dá)地震數(shù)據(jù)作用，用于抗震設(shè)計(jì)安全性和經(jīng)濟(jì)性參考。但是高層建筑的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，很多工程項(xiàng)目的自振周期已經(jīng)超過(guò)了規(guī)范地震影響曲線范圍，所以有必要對(duì)設(shè)計(jì)周期范圍進(jìn)行擴(kuò)展，參照抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)反應(yīng)譜下降段衰減規(guī)律規(guī)定，延長(zhǎng)反應(yīng)譜下降速率到10s。

（二）時(shí)程段

我國(guó)對(duì)長(zhǎng)周期段設(shè)計(jì)反應(yīng)譜提高了很多，選擇合適的地震波獲得一致的“統(tǒng)計(jì)意義”比較困難，所以結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析之前首先需要分析頻譜，滿足“統(tǒng)計(jì)意義相符”，時(shí)程分析才能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

五、梁式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）梁式轉(zhuǎn)換層平面布置

要求平面布置應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單規(guī)則，底部大空間轉(zhuǎn)換層應(yīng)該設(shè)置為上下貫通剪力墻，剪力墻和主軸或者其他方向形成筒體則能夠獲得良好的工作空間。

受到地震影響，建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)作用性能非常關(guān)鍵，所以角部剪力墻底部不應(yīng)該設(shè)置轉(zhuǎn)角大洞形成框支轉(zhuǎn)換，也不應(yīng)該在結(jié)構(gòu)底部設(shè)置為托柱轉(zhuǎn)換。

筒體底部墻體和落地剪力墻需要加強(qiáng)，并應(yīng)該在墻體兩端設(shè)置翼墻或者端柱。

（二）豎向布置

帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)需要設(shè)置落地剪力墻或者筒體。轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)剛度需要盡量加強(qiáng)，并弱化上層結(jié)構(gòu)剛度，保證結(jié)構(gòu)整體合適的剛度、強(qiáng)度和抗震性能。轉(zhuǎn)換層上部的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)該設(shè)置在主結(jié)構(gòu)上，獲得更直接的傳力途徑，盡量減少轉(zhuǎn)換次數(shù)。

（三）樓蓋設(shè)計(jì)

樓蓋是板和梁的組合結(jié)構(gòu)，承受豎向載荷，并將豎向荷載有效傳遞給柱和梁，而水平作用力需要通過(guò)樓蓋在豎向構(gòu)件之間相互傳遞，實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，提高結(jié)構(gòu)傳力可靠性。轉(zhuǎn)換層位置樓蓋的水平荷載傳遞功能更加關(guān)鍵，因而轉(zhuǎn)換層樓蓋不能開(kāi)大洞，必須開(kāi)設(shè)樓梯間時(shí)需要使用混凝土落地剪力墻圍成落地筒體。

【結(jié)束語(yǔ)】城市人口越來(lái)越多，高層建筑的大規(guī)模建設(shè)是城市發(fā)展的必然，隨著人們生活水平的提升，人們對(duì)建筑的功能要求越來(lái)越多，進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要對(duì)人們的建筑功能需求進(jìn)行認(rèn)真分析，采用新型的設(shè)計(jì)理念和科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，認(rèn)真進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能保證高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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