高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

李保忠

摘要：一個(gè)建筑物最初的方案設(shè)計(jì)，建筑師考慮更多的是它的空間使用特點(diǎn)，而不能詳細(xì)地確定它具體的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師需要根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的要求，采用既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和地質(zhì)資料選擇合適的基礎(chǔ)形式是保證建筑物結(jié)構(gòu)安全的首要前提。因此，建筑設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對整個(gè)建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行構(gòu)思、分析和規(guī)劃，對建筑中各房間功能進(jìn)行全面的分析。精心設(shè)計(jì)出以人為本的設(shè)計(jì)空間，為廣大住戶營造更好、更舒適的居住環(huán)境。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);合理選擇;設(shè)計(jì)理念

前 ?言

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做好結(jié)構(gòu)分析，多做方案比較，建筑設(shè)計(jì)者必須從當(dāng)今經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢出發(fā)，建立一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，合理確定建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)性措施和原則，這樣不僅滿足設(shè)計(jì)各類需求，使高層的結(jié)構(gòu)布置更加合理，同時(shí)也改善了人們的居住環(huán)境。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析階段，是決定工程設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。由于新規(guī)范的推出對結(jié)構(gòu)整體計(jì)算和分析部分有了很多的調(diào)整和改進(jìn)，因此，結(jié)構(gòu)工程師也應(yīng)該對這一階段常見的問題有一定的認(rèn)識。

1.結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的選擇

目前，比較常用的計(jì)算軟件有很多。但是，由于各軟件在采用的計(jì)算模型上存在著一定的差異，因此導(dǎo)致了各軟件的計(jì)算結(jié)果有偏大或偏小。所以，在進(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析時(shí)必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)選擇合理的計(jì)算軟件，并從不同軟件相差較大的計(jì)算結(jié)果中進(jìn)行判斷分析，這將是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)工作中首要的工作。

2.振型數(shù)目的取值

在新規(guī)范中明確提出了振型參與系數(shù)的限值。因此，在計(jì)算分析階段必須對計(jì)算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行判斷，如果計(jì)算結(jié)果不滿足規(guī)范要求，則需要調(diào)整振型數(shù)目的取值后重新計(jì)算。

3.多塔之間地震力計(jì)算

隨著高層建筑的訊速發(fā)展，多塔樓的建筑類型大量涌現(xiàn)，而在計(jì)算分析該類型建筑時(shí)，是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類型進(jìn)行計(jì)算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開進(jìn)行計(jì)算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問題。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求，但是對某一座塔樓的地震力計(jì)算誤差仍然有可能較大，從而使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。

4.非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與設(shè)計(jì)

在建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對這部分內(nèi)容，尤其是建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大，因此，必須嚴(yán)格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算處理措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則

1.選擇合適的基礎(chǔ)方案

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)類型及荷載分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進(jìn)行綜合分析，選擇經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)方案。設(shè)計(jì)時(shí)宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行地基變形驗(yàn)算。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)有詳盡的地質(zhì)勘察報(bào)告，對一些缺地質(zhì)報(bào)告的小型建筑也應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場查看和參考鄰近建筑資料。一般情況下，同一結(jié)構(gòu)單元不宜采用兩種不同類型的基礎(chǔ)。

2.合理選擇結(jié)構(gòu)方案

一個(gè)成功的設(shè)計(jì)必須選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，即要選擇一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)受力明確，傳力簡捷，同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同的結(jié)構(gòu)體系，地震區(qū)應(yīng)力求平面和豎向規(guī)則?？傊?，必須對工程的設(shè)計(jì)要求、地理環(huán)境、材料供應(yīng)、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析，并與建筑、水、暖、電等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行多方案比較，擇優(yōu)選用。

3.選用恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡圖

結(jié)構(gòu)計(jì)算是在計(jì)算簡圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計(jì)算簡圖選用不當(dāng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全出現(xiàn)問題的事故屢有發(fā)生，因此根據(jù)實(shí)際工程的受力情況選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。由于實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的剛結(jié)或鉸結(jié)點(diǎn)，計(jì)算簡圖還應(yīng)采取相應(yīng)的構(gòu)造措施，以保證其與實(shí)際受力情況的誤差在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

4.正確分析計(jì)算結(jié)果

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，但由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。因此設(shè)計(jì)師應(yīng)對程序的適用范圍、技術(shù)條件等全面了解。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，由于程序與結(jié)構(gòu)某處的實(shí)際情況不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析，慎重校核，做出合理判斷。

5.采取相應(yīng)的構(gòu)造措施

始終牢記“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”的原則。注意構(gòu)件的延性性能，加強(qiáng)薄弱部位，注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的直線段錨固長度，考慮溫度應(yīng)力的影響。除此之外，還應(yīng)注意按均勻、對稱、規(guī)則的原則考慮平面和立面的布置，綜合考慮抗震的多道防線，盡量避免薄弱層的出現(xiàn)，以及正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算等都需要概念設(shè)計(jì)作指導(dǎo)。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)的受力性能

由于高層混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物層數(shù)較高，自重較大，因此空間結(jié)構(gòu)必須能將其本身的自重和作用于其上的活荷載安全的傳遞至基礎(chǔ)上，又由基礎(chǔ)傳遞至地基上的。而建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的方面就是計(jì)算所選擇的結(jié)構(gòu)形式中受力構(gòu)件向下傳遞的豎向作用力與地基承載力之間的關(guān)系。所以，在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，就必須對主要的豎向受力構(gòu)件的數(shù)量和分布以及基礎(chǔ)形式作出綜合分析。

對于多層和高層建筑，豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素，其原因有兩個(gè)：第一，較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者筒體。第二，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的效應(yīng)不是線性增加的，而隨建筑高度的增加迅速增大。例如，在所有條件相同時(shí)，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應(yīng)更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異。

四、高層建筑在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地震時(shí)，由于地震波的作用產(chǎn)生地面運(yùn)動(dòng)，通過房屋基礎(chǔ)影響上部結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，房屋振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力就是地震荷載。地震波可能使房屋產(chǎn)生垂直振動(dòng)與水平振動(dòng)，但一般對房屋的破壞主要是由水平振動(dòng)引起，因此，設(shè)計(jì)中主要考慮水平地震力。地震荷載是慣性力，因此它的大小除了和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有關(guān)外，還和結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，通常把結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（各質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、加速度）稱為地震反應(yīng)。地面運(yùn)動(dòng)情況可以由地面加速度波形來描述，不同的地震、不同的場地、不同的震中距都會產(chǎn)生不同的地面運(yùn)動(dòng)。一般情況下，結(jié)構(gòu)較柔，周期加長時(shí)，地震力減小。高層建筑具有較長的自振周期，容易跟地震波中的長周期分量發(fā)生共振。且地震波在土中傳播時(shí)，短周期分量衰減迅速，長周期分量則傳播較遠(yuǎn)。大量震害表明：與低層建筑相比，高層建筑受地震影響的范圍更廣一些，振害后果也更嚴(yán)重一些，特別在軟土地基上，更是如此。所以較確切地估計(jì)高層建筑的地震作用，是十分必要的。

五、結(jié)束語

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提，功能俱全的高層建筑越來越多。當(dāng)然，建筑結(jié)構(gòu)模式的變化并非一日之功，是需要有一個(gè)演變過程的，而且在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，還會多種模式共存，結(jié)構(gòu)體系更加多樣化，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在工作中嚴(yán)格要求自己，不斷學(xué)習(xí)新規(guī)范。