試論高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則及相關(guān)問題

摘 要：高層建筑能給城市居民帶來更多的活動(dòng)空間和更多的綠地，但同時(shí)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又是復(fù)雜的問題，要考慮到多方面的因素，還要考慮對(duì)周邊建筑或環(huán)境的影響。作為土建的設(shè)計(jì)工作者，應(yīng)該充分掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則及其結(jié)構(gòu)體系，這樣才能設(shè)計(jì)出安全可靠、質(zhì)量過硬、美觀舒適的高層建筑。

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

1 高層建筑結(jié)構(gòu)布置基本原則

（1）應(yīng)考慮建筑的相關(guān)使用要求，考慮建筑的用途。盡量使設(shè)計(jì)便于施工。

（2）為了減少高層建筑的位移，應(yīng)適當(dāng)提高整體剛度，高層建筑控制位移是設(shè)計(jì)中很重要的一環(huán)，直接關(guān)系到高層建筑本身的安全可靠以及居住的舒適性。為了控制位移，首先要考慮選擇較為合理的結(jié)構(gòu)體系，其次還應(yīng)從立面的變化以及平面的體型等多方面來減少高層建筑的側(cè)向位移。為了提高整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，在布置結(jié)構(gòu)之時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)整體性的加強(qiáng)。為了減小由于基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)或平移而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)側(cè)移，可以采取加強(qiáng)相關(guān)構(gòu)建連接、加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性或是加強(qiáng)樓蓋的整體性及其剛度等等方法。還要考慮適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)結(jié)構(gòu)中較為薄弱的環(huán)節(jié)或是應(yīng)力呈現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)的部位。為了抵抗傾覆力矩，還應(yīng)增加整體結(jié)構(gòu)體系的有效寬度。為了達(dá)到減少側(cè)向位移的目的，通常還可以采取增加結(jié)構(gòu)的寬度的辦法，在其他參數(shù)確定的情況下，變形量與B^3成反比例。對(duì)高寬比H/B進(jìn)行適當(dāng)?shù)南拗仆瑯涌梢赃_(dá)到減少側(cè)向位移的目的。

（3）如果建筑處于地震區(qū)，還應(yīng)考慮地震的影響，使相關(guān)設(shè)計(jì)滿足抗震需求。首先應(yīng)使設(shè)計(jì)的各個(gè)結(jié)構(gòu)單元的平面形狀盡量達(dá)到規(guī)則而且簡單，使結(jié)構(gòu)的各部分的剛度均勻且較為對(duì)稱。如果是不對(duì)稱且不均勻的復(fù)雜結(jié)構(gòu)通常會(huì)增加地震應(yīng)力的復(fù)雜性，使之難以處理或者計(jì)算數(shù)值，還可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)或是應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使抗震設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。在設(shè)計(jì)高層建筑中，應(yīng)盡量注意剛度中心的位置，使得地震力作用中心和剛度中心盡量一致，注意偏心距e（剛度中心與地震力作用中心的距離）應(yīng)在建筑物邊長垂直外力作用線5%以內(nèi)。應(yīng)力集中現(xiàn)象多出現(xiàn)在高層建筑的拐角處，故電梯間等應(yīng)盡量避開高層建筑的拐角來設(shè)置。立面的體型應(yīng)減少凹陷或是突出的狀況，這種狀況通常將使剛度在垂直方向上出現(xiàn)突變的情況。經(jīng)過對(duì)震害的分析，可以總結(jié)出高層建筑的剛度不均勻、平面布置不對(duì)稱、屋頂局部的突出、高低錯(cuò)層連接或是沿垂直高度剛度發(fā)生突變等等情況，都會(huì)在地震時(shí)產(chǎn)生破壞性較強(qiáng)的震害。還應(yīng)限制高層建筑的平面長度，保持長寬比L/B在一定的限度內(nèi)，滿足抗震設(shè)計(jì)相關(guān)要求。結(jié)構(gòu)采取豎向布置時(shí)可以減少地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的破壞，但應(yīng)考慮剛度需對(duì)稱而且均勻。應(yīng)盡量避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不連續(xù)或是剛度突變的情況，避免上部剛度較小，從而導(dǎo)致“鞭擊”情況的出現(xiàn)。

（4）在布置或者處理相關(guān)設(shè)縫（如伸縮縫、沉降縫以及抗震縫）的時(shí)候，應(yīng)考慮高層建筑的體型復(fù)雜以及結(jié)構(gòu)影響。在許多發(fā)達(dá)國家的高層相關(guān)縫的設(shè)計(jì)中，一般的做法是超過十層的建筑不設(shè)縫。在兩個(gè)沉降獨(dú)立的單獨(dú)的結(jié)構(gòu)之間一般不設(shè)計(jì)簡支梁，這樣的簡支梁可以避免兩個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)的沉降差所引發(fā)的附加應(yīng)力，但在地震應(yīng)力的作用下，兩個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)將相互產(chǎn)生影響，互相拉扯從而引發(fā)簡支梁的破壞。

（5）隨著商品房數(shù)量的逐漸增多，人口的逐漸增多以及人均土地面積的不斷減少，人們對(duì)綠地和活動(dòng)場地的需求越來越高，高層建筑也就越來越多。住宅商品化帶來的影響就是住宅的壽命需求就越來越高，人們往往需求住宅首先要安全可靠。所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選擇上來說，應(yīng)盡量有利于抗震抗風(fēng)以及其他抗其他不利影響，最大限度的提高高層建筑的耐久性和安全性。

（6）在安全和耐久的基礎(chǔ)上，人們還會(huì)需求居住的舒適性。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，還應(yīng)考慮到舒適的居住性能，滿足人們對(duì)室內(nèi)空間、采光通風(fēng)等各種需求，盡量配合其他專業(yè)，盡可能的避免在住戶的居住空間中出現(xiàn)梁柱的壓抑或是在分隔墻的材料中選用隔聲性能較差的材料。在選用剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量選用大開間的布置。方便暖通的相關(guān)設(shè)備的布置以及其他電氣設(shè)施的設(shè)置。

（7）最后就是在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一定要嚴(yán)格認(rèn)真的執(zhí)行相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，避免在使用年限內(nèi)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)方面的損壞。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)體系的選擇

高層建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)選擇中一般可以選擇框架結(jié)構(gòu)、剪力墻、框架-剪力墻以及筒體結(jié)構(gòu)。

2.1 框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)受風(fēng)力或其他水平力影響下側(cè)向位移可以分為兩個(gè)部分。第一部分側(cè)向位移主要是梁或者柱在剪力作用下引起的彎曲導(dǎo)致的。梁和柱上通常還設(shè)有反彎曲點(diǎn)，通過這些反彎點(diǎn)，能使結(jié)構(gòu)整體變形為剪切變形。剪力的分布為下層框架結(jié)構(gòu)大，上層框架架構(gòu)小，層間位移分布與剪力的分布相同。第二部分側(cè)向位移由柱中的軸向變形引起，而軸向變形是由于框架整體所產(chǎn)生的懸臂作用。由剪切變形引起的第一部分側(cè)向位移較大，框架結(jié)構(gòu)的缺陷就在于其變形較大，抵抗側(cè)向位移的剛度較小，導(dǎo)致應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)體系的高層建筑往往高度有限制。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)，顧名思義是指應(yīng)用高層建筑的墻體來作為豎向承重的結(jié)構(gòu)體系，并且還可抵抗水平力作用。剪力墻體系廣泛應(yīng)用在各種10-30層左右的高層建筑中，剪力墻的延性系數(shù)一般在3-5之間。將剪力墻底層作為框架時(shí)，又可以稱之為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

2.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

框架在承受水平力的作用時(shí)通常為剪切變形，而剪力墻則呈現(xiàn)彎曲變形，框架-剪力墻體系就是將框架和剪力墻用樓板進(jìn)行連接，二者變形結(jié)合為彎剪型變形。剪力墻通常承擔(dān)80%以上的水平力作用。在高層建筑整體中，上層由框架抵抗大部分水平力作用，下層由剪力墻抵抗大部分水平力作用，二者結(jié)合提高了高層建筑結(jié)構(gòu)整體剛度?？蚣芗袅Φ慕Y(jié)構(gòu)體系還能減少層間的變形量以及定點(diǎn)位移量的減少，可以提高整體結(jié)構(gòu)的剛度?？蚣?剪力墻的結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于20-40層的高層建筑，特別是塔式建筑。

2.4 筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)多應(yīng)用在30-40層的較高層建筑上，筒體結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度和剛度比剪力墻或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)都要好。筒體結(jié)構(gòu)通?？煞譃槿N。

2.4.1 框筒結(jié)構(gòu)。框筒通常指墻體上開洞后形成的空腹筒體。開洞之后，柱中的正應(yīng)力分布曲線為拋物線，這是剪力滯后的現(xiàn)象在橫梁變形中的體現(xiàn)，應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在角柱中?？蚣苡挚梢苑譃橐砭壙蚣芎透拱蹇蚣堋Ｒ砭壙蚣茉诜较蛏吓c水平力相互垂直，主要可以承擔(dān)整體結(jié)構(gòu)由于拉壓所引起的軸力，對(duì)傾覆力矩的抵抗力較強(qiáng)，腹板框架與水平力方向相同，主要承擔(dān)水平方向剪力。筒體結(jié)構(gòu)為了保持密排柱和窗裙梁的尺寸，框筒的布置如下：立柱中距一般在1.2-3.0m之間，有需要時(shí)可以達(dá)到4.5m，橫梁高度一般在0.6-1.2m范圍內(nèi)，寬在0.3-0.5m之間。

2.4.2 筒中筒結(jié)構(gòu)。一般在國外50層以上的高層建筑中應(yīng)用廣泛，主要由內(nèi)外兩個(gè)筒體結(jié)合而成。內(nèi)筒一般是剪力墻薄壁筒，外筒是框筒（由密柱組成）。有較好的抗震、抗風(fēng)性能。

2.4.3 成束筒結(jié)構(gòu)。主要由多個(gè)剪力墻薄壁筒體組合而成，筒體通常都較小，主要應(yīng)用在平面形狀較為復(fù)雜的高層建筑中。

3 結(jié)束語

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體的剛度要求較普通建筑要高，由于層高所帶來的多種因素都要綜合考慮，是一個(gè)復(fù)雜且困難的問題，解決方案較多，通常應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)且最為安全可靠的結(jié)構(gòu)體系來抵抗相關(guān)的水平力作用引起的各種變形。在設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)要注意認(rèn)真按照設(shè)計(jì)原則和規(guī)范，才能建造出優(yōu)質(zhì)的高層建筑。

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作者簡介：劉峰，身份證號(hào)：360123198403120719。