關(guān)于城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題研究

徐紫帥

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，人們的生活水平得到了很大的提高，智能化、功能多樣性的高層建筑逐漸成為現(xiàn)今城市建設(shè)的主要發(fā)展方向。隨之，城市高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量也在不斷提高。城市高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意的要點(diǎn)有很多，涉及到各種力學(xué)知識和計(jì)算分析，本文就對城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行研究，包括高層建筑結(jié)構(gòu)受力分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)原則、內(nèi)容等，從而促進(jìn)城市高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化和工程質(zhì)量的不斷提高。

2 城市高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)所面臨的受力問題

在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，建筑的最初設(shè)計(jì)方案不僅要考慮到整個(gè)建筑的功能需求和空間特點(diǎn)，還要根據(jù)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置，對建筑的受力進(jìn)行綜合分析，確定該方案所采用的結(jié)構(gòu)體系能夠?qū)崿F(xiàn)。對于高層建筑來說，建筑空間影響著建筑的整體結(jié)構(gòu)布局，包括根據(jù)建筑的水平和豎向受力特點(diǎn)所確定的結(jié)構(gòu)體系。高層建筑往往由較大的構(gòu)件構(gòu)成，整體建筑的水平和豎向荷載通過結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳入地基后，由地基基礎(chǔ)來承載，這就需要了解地基基礎(chǔ)的承載能力以及建筑結(jié)構(gòu)各體系之間甚至各構(gòu)件之間的相互作用關(guān)系，從而對建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行正確的、符合實(shí)際的計(jì)算分析。

高層建筑的結(jié)構(gòu)受力主要由豎向作用和水平作用控制，豎向作用包括建筑、結(jié)構(gòu)自重和樓層活荷載等，水平作用包括風(fēng)、地震作用等。當(dāng)建筑高度較低時(shí)，結(jié)構(gòu)的豎向作用是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要控制因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要需要對墻、柱等構(gòu)件進(jìn)行豎向受力計(jì)算分析，通過豎向受力狀況來控制構(gòu)件的截面、材料等。隨著層數(shù)和高度的不斷增加，水平作用越來越成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素。一方面，水平作用隨著建筑高度的增加而不斷增加，其對建筑物產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎向構(gòu)件中引起的軸力，與建筑高度的兩次方成正比；另一方面，對高度建筑來說，風(fēng)和地震等水平作用的數(shù)值隨著建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。當(dāng)達(dá)到一定高度的時(shí)候，高層建筑因水平作用所產(chǎn)生的位移和舒適度問題將成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的決定性因素。

3 城市高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的原則要點(diǎn)

城市高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意一些原則，從而保證建筑結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，以下就對需要注意的原則進(jìn)行簡單的分析：

3.1 根據(jù)地質(zhì)條件做好高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)是建筑物的重要組成部分，建筑物所承受的各種荷載都要經(jīng)過基礎(chǔ)傳至地基。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)地質(zhì)勘查取得的高層建筑所在位置的地質(zhì)狀況、高層建筑的上部結(jié)構(gòu)類型、水平和豎直荷載以及高層建筑周圍的已建建筑影響、實(shí)際施工環(huán)境及施工條件等進(jìn)行綜合的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，選擇合適的地基基礎(chǔ)形式。

由于高層建筑層數(shù)多、高度大，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載一般很大，要解決這一問題有兩種方法：①加大基礎(chǔ)面積，減小基底應(yīng)力；②對地基進(jìn)行處理，提高地基承載力，或采用承載力較高的樁基等。通常情況下我們不一味的加大基礎(chǔ)面積或一味的提高地基承載力來解決這個(gè)問題，而是通過計(jì)算分析，采用合理的基礎(chǔ)尺寸，同時(shí)采用合適的技術(shù)對地基進(jìn)行處理，提高地基承載能力，以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。

3.2 做好高層建筑的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高層建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對建筑的結(jié)構(gòu)體系與形式進(jìn)行研究，根據(jù)建筑的功能要求、受力狀況、荷載變化等選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。合理的結(jié)構(gòu)體系不僅要具有必要的承載能力、剛度和延性，還要避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承受重力荷載、風(fēng)荷載和地震作用的能力，同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)性的問題。目前，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)可采用的結(jié)構(gòu)體系有框架、剪力墻、框架-剪力墻、板柱-剪力墻和筒體等，每種結(jié)構(gòu)體系都有自身的受力特性、適用高度、優(yōu)缺點(diǎn)等，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)建筑物自身特點(diǎn)，綜合考慮建筑的安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性與穩(wěn)定性，具體問題具體分析，采用適合建筑自身的結(jié)構(gòu)體系。

在進(jìn)行高層建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要根據(jù)建筑綜合的設(shè)計(jì)要求與指標(biāo)，對建筑結(jié)構(gòu)的施工環(huán)境、施工材料的供給、施工的復(fù)雜程度等進(jìn)行綜合、全面的分析與研究，降低和減少工程施工難度。同時(shí)，配合水暖電等其他專業(yè)做好主體結(jié)構(gòu)的相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)。

3.3 選擇合適的計(jì)算簡圖

高層建筑是三維空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)件多、受力復(fù)雜，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時(shí)，需要對建筑結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)件布置進(jìn)行力學(xué)上的適當(dāng)簡化處理，使其既能比較正確的反映結(jié)構(gòu)的受力性能，又適應(yīng)于所選用的計(jì)算分析軟件的力學(xué)模型，從根本上保證結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的可靠性。

3.4 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還要做好結(jié)構(gòu)的計(jì)算，在計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)一般都需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)。目前結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件種類比較多，每種軟件都有其自身的適用條件，使用不當(dāng)，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計(jì)算的不合理甚至不安全。在選擇計(jì)算軟件時(shí)，要掌握結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)計(jì)算所適用的具體范圍，避免由于參數(shù)輸入錯(cuò)誤或軟件自身缺陷所造成的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的較大偏差。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意的問題

在進(jìn)行城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還要注意一些問題，從而保證高層建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，主要包括以下幾個(gè)方面：

4.1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的規(guī)則性問題

在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，合理的建筑體型和布置是非常重要的，因?yàn)檎鸷Ρ砻?，簡單、對稱的建筑在地震時(shí)較不容易破壞，而且容易估計(jì)其地震時(shí)的反應(yīng)，容易采取抗震構(gòu)造措施和進(jìn)行細(xì)部處理。我國現(xiàn)行規(guī)范《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：“高層建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系”，“高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜使結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和承載力分布，避免因剛度和承載力局部突變或結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而形成薄弱部位”等，規(guī)范對高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的限制條件，在高層建筑的實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免出現(xiàn)規(guī)范中規(guī)定的不應(yīng)采用的結(jié)構(gòu)布置方案。

4.2 高層建筑的適用高度問題

在城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，還要考慮到高層建筑的適用高度問題。我國對高層建筑結(jié)構(gòu)的適用高度有明確規(guī)定，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中把高層建筑高度分為A、B 級。為保證B 級高度高層建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量，抗震設(shè)計(jì)的B 級高度的高層建筑，應(yīng)進(jìn)行超限高層建筑的抗震設(shè)防專項(xiàng)審查復(fù)核。超過規(guī)范規(guī)定高度的特殊建筑，還要通過專門的審查、論證，補(bǔ)充更嚴(yán)格的計(jì)算書，必要時(shí)還要進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格控制建筑的具體高度，避免出現(xiàn)規(guī)范規(guī)定外的超高建筑。

4.3 高層建筑結(jié)構(gòu)的嵌固端問題

很多的高層建筑都會建有地下室，有二層或者三層不等，在進(jìn)行高層建筑的地下室設(shè)置時(shí)，一般會把地下室的頂板處設(shè)置為建筑結(jié)構(gòu)的嵌固端，而該處地下室頂板和下層側(cè)向剛度需要滿足規(guī)范規(guī)定的相應(yīng)條件后，該部位方能作為整座建筑的嵌固端。如果不能滿足規(guī)范，可采取相應(yīng)措施如加大板厚、增加剪力墻等方法，使其滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

總之，對于城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，需要注意的要點(diǎn)有很多，我們要按照高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則進(jìn)行，優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證高層建筑結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量。