對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

袁保國(guó)

摘 要：近些年來(lái)，我國(guó)的高層建筑建設(shè)發(fā)展迅速。高層建筑其高難度，高技術(shù)，高風(fēng)險(xiǎn)都需要大量技術(shù)工作人員去解決，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜、長(zhǎng)期、循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)的過(guò)程不僅要嚴(yán)格執(zhí)行新規(guī)范中相應(yīng)的構(gòu)造要求，還要結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并且制定多種方案進(jìn)行比較分析，只有這樣才能從根本上消除設(shè)計(jì)質(zhì)量的隱患。

關(guān)鍵詞：高層住宅建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；探討

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在各專(zhuān)業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機(jī)電管道的設(shè)置、施工技術(shù)的要求、施工工期長(zhǎng)短和投資造價(jià)的高低等。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

主要特點(diǎn)有：

1、水平力是設(shè)計(jì)主要因素

在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對(duì)一定高度建筑來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力性的不同而有較大的變化。

2、側(cè)移成為控制指標(biāo)

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

3、抗震設(shè)計(jì)要求更高

有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

4、軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整；另外對(duì)構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會(huì)得出偏于不安壘的結(jié)果。

5、結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

1、結(jié)構(gòu)的超高問(wèn)題

抗震規(guī)范中對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的總高度進(jìn)行了嚴(yán)格限制，新規(guī)范中增設(shè)了B級(jí)高度，這與原來(lái)設(shè)定的A級(jí)高度在處理辦法方面有很大的改變。所以在工程實(shí)踐中，就要充分考慮建筑的超高問(wèn)題及處理措施，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分根據(jù)工程的實(shí)際進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，防止建筑物結(jié)構(gòu)過(guò)高導(dǎo)致的不安全因素。一旦在工程實(shí)際過(guò)程中忽視建筑物的超高問(wèn)題，在工程后續(xù)施工過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)一系列的問(wèn)題，這就會(huì)對(duì)工程工期和效益造成嚴(yán)重的損害。

2、短肢剪力墻設(shè)置問(wèn)題

短肢剪力墻在規(guī)范中是這樣定義的：墻肢截面高厚比為5-8的墻。實(shí)踐表明，短肢剪力墻在高層建筑中的運(yùn)用有更多的因素加以限制。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，就應(yīng)當(dāng)根據(jù)情況盡可能少的使用就要盡量避短肢剪力墻，從而減少由于短肢剪力墻的使用造成了不必要的麻煩，所以，在高層建筑的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要特別注重工程的細(xì)節(jié)問(wèn)題，從而提高工程建設(shè)的進(jìn)度。

3、嵌固端的設(shè)置問(wèn)題

高層建筑通常都有地下室和人防，由此嵌固端的設(shè)置位置可能在地下室頂板，也有可能在人防的頂板。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要特別注意嵌固端的設(shè)置問(wèn)題，防止由于嵌固端設(shè)置所造成的問(wèn)題。比如說(shuō)嵌固端上下抗震等級(jí)的一致性問(wèn)題和抗震縫設(shè)計(jì)與嵌固端位置的協(xié)調(diào)問(wèn)題等等，由此可能造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，導(dǎo)致安全隱患的產(chǎn)生。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型

1、框架結(jié)構(gòu)體系

整個(gè)結(jié)構(gòu)的縱向和橫向全部由框架構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)成為框架結(jié)構(gòu)?？蚣芗蓉?fù)擔(dān)重力荷載又負(fù)擔(dān)水平荷載?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是建筑平面布置靈活，可提供較大的內(nèi)部空間。但由于結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)體系，在水平荷載作用下，強(qiáng)度低，剛度小，水平位移大，在高烈度地震區(qū)不宜采用。目前，主要適用于10～12層左右的商場(chǎng)，辦公建筑。如果過(guò)高，就要靠加大梁，柱截面來(lái)抵抗水平荷載，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不經(jīng)濟(jì)，因此在高層建筑的使用時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮。

采用框架結(jié)構(gòu)的高層建筑，框架底層往往出現(xiàn)塑性變形集中現(xiàn)象。這是因?yàn)榻ㄖ孛嬉韵禄A(chǔ)部分的抗推剛度很大，相對(duì)而言，建筑底層的抗推剛度就很小，形成剛度突變。在遭遇地震時(shí)，建筑容易因框架底層的塑性變形集中而導(dǎo)致破壞。如果在框架的地上一二層采用型鋼混凝土，可以減小該處的剛度突變。

2、剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)中豎向承重結(jié)構(gòu)全部由一系列橫向和縱向的鋼筋混凝土剪力墻組成，剪力墻不僅承受重力荷載作用，而且還要承受風(fēng)，地震等水平荷載的作用。同框架結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)測(cè)向剛度大，側(cè)移小，屬于剛性結(jié)構(gòu)體系。從理論上講，它可建造上百層的民用建筑（如朝鮮平壤的柳京大廈）；但從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)講，地震區(qū)的剪力墻一般控制在35層，總高110米為宜。由于剪力墻的間距比較小，一般為3～6米，所以建筑平面布置不夠靈活，使用受限制。

3、筒體結(jié)構(gòu)體系

凡采用簡(jiǎn)體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱(chēng)為簡(jiǎn)體體系，包括單簡(jiǎn)體、簡(jiǎn)體一框架、簡(jiǎn)中簡(jiǎn)、多束簡(jiǎn)等多種型式。簡(jiǎn)體是一種空間受力構(gòu)件，分實(shí)腹簡(jiǎn)和空腹簡(jiǎn)兩種類(lèi)型。實(shí)腹簡(jiǎn)是由平面或曲面墻圍成的二維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹簡(jiǎn)是由密排柱和窗裙梁或開(kāi)孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。簡(jiǎn)體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗震、消防設(shè)計(jì)

1、抗風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上，要使用配比較高的砂石來(lái)保證地基的密實(shí)度，同時(shí)還要設(shè)置抗拔錨桿，以此來(lái)提高建筑基礎(chǔ)的抗拔強(qiáng)度。在減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，要多利用耗能支撐、剪力墻、樓板等組成的耗能減振系統(tǒng)來(lái)減少風(fēng)荷載對(duì)高層建筑的影響。對(duì)于風(fēng)荷載與水平力的問(wèn)題，要對(duì)高風(fēng)壓區(qū)進(jìn)行加固。這主要是從水平壓力、水平荷載內(nèi)力等方面進(jìn)行綜合考慮，來(lái)為高層建筑進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

2、抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

①提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體規(guī)則性，以此確保承載力體系分布的合理性。②改善地基的抗震設(shè)計(jì)，即在簡(jiǎn)化建筑平面、提高地基的強(qiáng)度與高度的同時(shí)，將上部結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)和群樁設(shè)置在同一直線(xiàn)之上。③在剪力墻的設(shè)計(jì)方面，要提高高層建筑承重結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力，以此來(lái)滿(mǎn)足承載力的耗能與延續(xù)性，這樣可以有效地提高高層建筑的抗震能力。

3、消防結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

①防火間距上的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)要全面的考慮間距在火災(zāi)中的隔斷、滅火功能，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到建筑結(jié)構(gòu)的耐火性問(wèn)題以及排煙的問(wèn)題。②對(duì)安全疏散結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，這主要是為了解決火災(zāi)中的疏散困難，在設(shè)計(jì)上：a.注意防煙區(qū)的設(shè)置；b.注意雙向疏散方面的設(shè)計(jì)，如合理安排避難層等。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著高層建筑進(jìn)一步的發(fā)展，高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越發(fā)重要起來(lái)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)集結(jié)構(gòu)分析，數(shù)學(xué)優(yōu)化方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)工作，是一項(xiàng)對(duì)國(guó)家建設(shè)有重大意義的工作，同時(shí)，亦是一門(mén)實(shí)用性很強(qiáng)的工作。為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力，追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型將是土木工程師們的目標(biāo)和方向。