高層建筑結(jié)構(gòu)設計與選型初步研究

張利永

摘要：高層建筑物有效地減輕了住房壓力，但必然也帶來了安全隱患，其結(jié)構(gòu)設計顯得尤為重要，隨著設計理念的不斷發(fā)展，高層建筑物必將朝著更加合理的方向發(fā)展。本文總結(jié)了高層建筑的結(jié)構(gòu)布置與結(jié)構(gòu)特點，對高層建筑結(jié)構(gòu)選型方法進行了探討。

關鍵詞：高層;結(jié)構(gòu);特點;選型

一、高層建筑結(jié)構(gòu)的布置原則與要求

1.結(jié)構(gòu)平面布置

平面形狀簡單、規(guī)則、對稱盡量使質(zhì)心和鋼心重合。偏心大的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應大，會加大端部構(gòu)件的位移，導致應力集中。平面突出部分不宜過長。扭轉(zhuǎn)是否過大，可用概念設計方法近似計算鋼心、質(zhì)心及偏心距后進行判斷，還可以比較結(jié)構(gòu)最遠邊緣處的最大層間變形和質(zhì)心處的層間變形，其比值超過1.1者，可以認為扭轉(zhuǎn)太大而結(jié)構(gòu)不規(guī)則。高層建筑不應采用嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，當由于使用功能與建筑的要求，結(jié)構(gòu)平面布置嚴重不規(guī)則時，應將其分割成若干比較簡單、規(guī)則的獨立結(jié)構(gòu)單元。對于地震區(qū)的抗震建筑，簡單、規(guī)則、對稱的原則尤為重要。

2.結(jié)構(gòu)立體布置

結(jié)構(gòu)豎向布置最基本的原則是規(guī)則、均勻。規(guī)則主要是指體型規(guī)則，若有變化，亦應是有規(guī)則的漸變。體型沿豎向的劇變，將使地震時某些變形特別集中，常常在該樓層因過大的變形而引起倒塌;均勻是指上下體型、剛度、承載力及質(zhì)量分布均勻，以及它們的變化均勻。結(jié)構(gòu)宜設計成剛度下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小，將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴重的會引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化，也應下大上小逐漸變化，不應發(fā)生過大的突變。上不樓層收進使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生，但是對于收進的尺寸應當限制。收進的部位越高，收進后的平面尺寸越小，高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑，造成“頭重腳輕”的狀況，將使扭轉(zhuǎn)反映明顯加大，豎向地震影響也明顯變大。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)特點

1.水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響大，側(cè)移成為結(jié)構(gòu)設計的主要控制目標之一。對一般建筑物，其材料用量、造價及結(jié)構(gòu)方案的確定主要由豎向荷載控制，而在高層建筑結(jié)構(gòu)中，高寬比增大，水平荷載（包括風力和地震力）產(chǎn)生的側(cè)移和內(nèi)力所占比重增大，成為確定結(jié)構(gòu)方案、材料用量和造價的決定因素。其根本原因就是側(cè)移和內(nèi)力隨高度的增加而迅速增長。

2.樓（屋）蓋結(jié)構(gòu)整體性要求高。高層建筑結(jié)構(gòu)的整體共同工作特性主要是各層樓板（包括樓面梁系）作用的結(jié)果，由于樓板在自身平面內(nèi)的剛度很大，變形較小，故在高層建筑中一般都假定樓板在自產(chǎn)生平面內(nèi)只有剛體位移（僅產(chǎn)生平動和轉(zhuǎn)動），而不改變形狀，并忽略樓板平面之外的剛度。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)中的任一樓層高度處，各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)都要受到樓板剛體移動的制約，即所謂的位移協(xié)調(diào)，這時抗側(cè)剛度大的豎向平面結(jié)構(gòu)必然要分擔較多的水平力。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的多種變形影響大。在一般房屋結(jié)構(gòu)分析中，通常只考慮構(gòu)件彎曲變形的影響，而忽略構(gòu)件軸向變形和剪切變形的影響，一般是因為其構(gòu)件的軸力和剪力產(chǎn)生的影響很小。而對于高層建筑結(jié)構(gòu)，由于層數(shù)多、高度高，軸力很大，從而沿高度逐漸積累的軸向變形很顯著，中部構(gòu)件與邊部、角部構(gòu)件的軸向變形差別大，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的影響大，因而構(gòu)件中的軸向變形影響必須加以考慮。

4.結(jié)構(gòu)受到動力荷載作用時的動力效應大。根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特點不同，如結(jié)構(gòu)的類型與形式，結(jié)構(gòu)的高度與高寬比，結(jié)構(gòu)的自振周期與材料的阻尼比等的不同，結(jié)構(gòu)受到地震作用或風荷載作用時，產(chǎn)生的動力效應對結(jié)構(gòu)的影響也不同，有時這種動力效應嚴重影響結(jié)構(gòu)物的正常使用，甚至造成房屋的破壞。

5.扭轉(zhuǎn)效應大。當結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度分布不均勻時，高層建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下容易產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)作用，扭轉(zhuǎn)作用會使抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)移發(fā)生變化，從而影響各個抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件（柱、剪力墻或筒體）所受到的剪力，并進而影響各個抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其他構(gòu)件的內(nèi)力與變形。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應也是不可忽視的問題。

6.必須重視結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定和抗傾覆問題。在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，應該重視結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)的破壞情況。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)選型的若干思考

選型工作具有很強的綜合性包含大量確定與不確定的因素，受諸多條件和因素影響，高層結(jié)構(gòu)是否合理、經(jīng)濟的關鍵，隨著建筑高度和功能的發(fā)展需要而不斷發(fā)展變化。除了要考慮工程造價和投資能力，還要考慮所選結(jié)構(gòu)型式對建筑功能的適應性，施工條件，技術能力，施工工期，建筑材料和能源供應，建筑美學要求包括建筑群及其環(huán)境的配合建設場地的地形地貌自然災害等等。

1.豎向承重結(jié)構(gòu)的選型在對豎向承重結(jié)構(gòu)進行選型時，首先考慮的是建筑物的高度和用途。不同結(jié)構(gòu)體系的強度和剛度是不一樣的，因而它們適應的高度也不同。一般說來，框架結(jié)構(gòu)適用于高度低、層數(shù)少、設防烈度低的情況;框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)可以滿足大多數(shù)建筑物的高度要求;層數(shù)很多或設防烈度較高時，可用筒體結(jié)構(gòu)。當建筑物的高度超出表中數(shù)值時，要進行專門的研究，采取有效的措施。選擇結(jié)構(gòu)體系應考慮的另一個因素是建筑物的用途。目前國內(nèi)高層建筑按用途大體上可分三大類：住宅、旅館及公共性建筑（辦公、商業(yè)、科研、教學、醫(yī)院等）。住宅建筑一般采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

2.水平承重結(jié)構(gòu)的選型水平承重結(jié)構(gòu)對保證建筑物的整體穩(wěn)定和傳遞水平力有重要作用。水平承重結(jié)構(gòu)選型通常有以下幾種，平板體系、無梁樓蓋、密肋樓蓋和肋形樓蓋。平板體系：平板體系采用單向板或雙向板，常用于剪力墻結(jié)構(gòu)或筒體結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是板底平整，可以不加吊頂，結(jié)構(gòu)高度低，可以降低層高。但當跨度大時，采用平板較困難，一般非預應力平板不宜成過6m，預應力平板不宜超過9m，否則平板厚度過大，樓面重量太大。采用現(xiàn)澆預應力無粘結(jié)平板樓面可以減少板厚。無梁樓蓋：在層高受限制情況下，公用建筑常采用無梁樓蓋。無梁樓蓋最好帶現(xiàn)澆柱帽，以加強板柱連接的可靠性。無梁樓蓋的合適跨度是：普通鋼筋混凝土樓面6m以內(nèi);預應力混凝土樓面可達9m。密肋樓蓋：密肋樓蓋多用在跨度較大而梁高受限制的情況下。筒體結(jié)構(gòu)角區(qū)樓面也常用密肋樓蓋。

3.下部結(jié)構(gòu)的選型高層建筑的基礎是高層建筑的重要組成部分。它將上部結(jié)構(gòu)傳來的巨大荷載傳遞給地基。高層建筑基礎形式選擇的好壞，不但關系到結(jié)構(gòu)的安全，而且對房屋的造價、施工工期等有重大的影響。高層建筑基礎形式通常有以下幾種：（1）柱下獨立基礎：適用于層數(shù)不多、土質(zhì)較好的框架結(jié)構(gòu)。當?shù)鼗鶠閹r石時，可采用地錨將基礎錨固在巖石上，錨入長度≥40d。（2）交叉梁基礎：即雙向為條形基礎。適用：層數(shù)不多、土質(zhì)一般的框架、剪力墻、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

四、結(jié)束語

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系是高層結(jié)構(gòu)是否合理、經(jīng)濟的關鍵，隨著建筑高度和功能的發(fā)展需要而不斷發(fā)展變化。高層建筑結(jié)構(gòu)的選型與結(jié)構(gòu)布置直接影響著結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟性，設計中應根據(jù)房屋的高度、高寬比等多方面因素選取合理的結(jié)構(gòu)體系。

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