高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型分析

潘世春（蘭州蘭石建筑設(shè)計(jì)有限公司，甘肅　蘭州　730000）

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高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型分析

潘世春
（蘭州蘭石建筑設(shè)計(jì)有限公司，甘肅蘭州730000）

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步，為我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了極大的推動(dòng)作用，在當(dāng)前城市中，高層建筑所占據(jù)的比例越來(lái)越大，在很大程度上展現(xiàn)出了一個(gè)城市的發(fā)展面貌。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型是高層建筑中的重要組成部分，其不但能夠表現(xiàn)出高層建筑結(jié)構(gòu)的外形特征，也能夠確保高層建筑個(gè)性功能的正常發(fā)揮，因此，為了有效地促進(jìn)高層建筑項(xiàng)目有效的發(fā)展，通過(guò)下文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了分析，進(jìn)而為有關(guān)單位及工作人員提供一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；某工程結(jié)構(gòu)選型

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)城市發(fā)展速度不斷加快，越來(lái)越多的高層建筑出現(xiàn)在了我們的視野中，通過(guò)我們分析高層建筑結(jié)構(gòu)的一些特征能夠發(fā)現(xiàn)，它們的結(jié)構(gòu)造型有著自身獨(dú)特的一面，因?yàn)楦邔咏ㄖO(shè)計(jì)施工是為了節(jié)省建筑用地面積，需要在高處下功夫，因此，只有將合理的結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)出來(lái)，才能夠?qū)⒔ㄖ锏墓δ芮袑?shí)的發(fā)揮出來(lái)，因此，對(duì)于這方面的工作內(nèi)容我們需要高度的重視起來(lái),進(jìn)而為促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

1　結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)分析

1.1分析三種重要的體系

1)剪力墻體系。剪力墻結(jié)構(gòu)是利用建筑的內(nèi)、外墻做成剪力墻以承受垂直和水平荷載的結(jié)構(gòu)體系。剪力墻的變形狀態(tài)和受力特性同剪力墻的開(kāi)洞情況聯(lián)系密切，其中依據(jù)軋受力特性的不同，單片剪力墻可以分為特殊開(kāi)洞墻和單肢墻。類型不同的剪力墻，對(duì)應(yīng)的也會(huì)有不同的截面應(yīng)力分布，所以，在對(duì)位移和內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，也應(yīng)該對(duì)不同的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行使用，將平面有限元法應(yīng)用到剪力墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算中，此種方法能夠比較準(zhǔn)確的完成計(jì)算，能夠應(yīng)用到各類剪力墻之間，然而，也有一定的弊端存在于這種方法中，其有著較多的自由度。所以，在具體的應(yīng)用時(shí)，較為普遍的應(yīng)用了開(kāi)洞墻這一類型。

2）筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)分為框架-核心筒、筒中筒等結(jié)構(gòu)體系，其中框架-核心筒受力特點(diǎn)為框架主要承受豎向荷載，筒體主要承受水平荷載，變性特點(diǎn)類似于框架剪力墻，但抗側(cè)剛度較大。依據(jù)不同的計(jì)算機(jī)模型處理手段，有三種類型的分析方法：主要為離散化方法、三維空間分析和連續(xù)化方法，其中三維空間方法的精確性會(huì)更高。

3）框架—剪力墻體系?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)，是由若干個(gè)框架和剪力墻共同作為豎向承重結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)體系。此種結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力等計(jì)算防范盡管種類較多，然而，連梁連續(xù)化假定方法會(huì)經(jīng)常被使用，在對(duì)位移協(xié)調(diào)條件進(jìn)行個(gè)計(jì)算時(shí)，應(yīng)該按照框架水平位移和剪力墻轉(zhuǎn)角進(jìn)行設(shè)計(jì)，將外荷載和位移的關(guān)系用微分方程建立起來(lái)。然而，應(yīng)該考慮需求和因素未知量會(huì)存在的差異，所以，也會(huì)有著不同形式的解答方式。

1.2具體的設(shè)計(jì)與分析

1）合理的確定水平荷載。每一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)都應(yīng)該一同承受風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載和垂直荷載，對(duì)于抵抗地震的能力也應(yīng)該具備，高層建筑中，盡管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)較大程度上受到豎向荷載的影響，然而，水平荷載卻占據(jù)著重大的比重，隨著不斷增多的高層建筑層數(shù)，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水平荷載成為了其中一個(gè)重要的影響因素，首先，由于樓面使用荷載和樓房自重在豎構(gòu)件中發(fā)揮的功能，對(duì)應(yīng)水平荷載會(huì)將一定的傾覆作用施加到結(jié)構(gòu)中，并且豎構(gòu)件中就會(huì)出現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)的作用力；其次，就高層建筑結(jié)構(gòu)而言，地震作用和豎向荷載，也會(huì)跟著建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力情況而出現(xiàn)較大的改變。

2）合理的確定側(cè)控。同低層建筑不同，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)側(cè)移已經(jīng)成為了其中一個(gè)非常重要的影響因素。隨著不斷增加的樓層數(shù)量，高層結(jié)構(gòu)在水平荷載側(cè)向變形下會(huì)逐漸增大。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)中，不但規(guī)定結(jié)構(gòu)要有一定的強(qiáng)度，對(duì)于荷載作用帶來(lái)的內(nèi)力能夠有效的予以承受，同時(shí)，還應(yīng)該確保具備一定的抗側(cè)剛度，確保在某一限度內(nèi)控制結(jié)構(gòu)在水平荷載作用出現(xiàn)的側(cè)移情況，保證能夠安全的工作和居住在其中。

3）在設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)延性為重要的技術(shù)指標(biāo)。對(duì)比低層建筑結(jié)構(gòu)能夠發(fā)現(xiàn)，高層建筑物會(huì)更加柔和，在地震的影響下，會(huì)增大其變形情況，為了保證高層建筑結(jié)構(gòu)向著塑性變形階段進(jìn)入之后，仍然有很大的變形能力，進(jìn)而防止建筑垮塌，設(shè)計(jì)人員因此應(yīng)該將恰當(dāng)?shù)拇胧?yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，進(jìn)而確保有足夠的延性存在高層建筑結(jié)構(gòu)中。

2　某工程結(jié)構(gòu)選型分析

2.1工程概況

文章以某工程為例進(jìn)行了探究，該高層位于甘肅省隴南市宕昌縣城關(guān)鎮(zhèn)，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.20g，設(shè)計(jì)地震分組：第二組，共18層，主要建筑功能為商住，主要層高4.2m、2.9米，結(jié)構(gòu)主體高度55.40m，總長(zhǎng)度為51.200,等效寬度為18.0m。底層結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示：

圖1　底層結(jié)構(gòu)平面布置

2.2結(jié)構(gòu)布置

考慮建筑使用功能，結(jié)構(gòu)選型為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架抗震等級(jí)二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)一級(jí)。在布置結(jié)構(gòu)平面時(shí)對(duì)于利于抵抗豎向和水平的荷載要進(jìn)行考慮，剪力墻主要布置在樓、電梯間，傳力直接，受力明確，墻體布置對(duì)稱均勻，同時(shí)考慮到扭轉(zhuǎn)影響，在不影響建筑功能的前提下，在建筑平面四角適當(dāng)布置雙向抗側(cè)力剪力墻，將扭轉(zhuǎn)的影響降低下來(lái)。建筑平面布置規(guī)則簡(jiǎn)單，降低地震影響。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置時(shí)，盡量將柱和粱重心重合，確保能夠直接傳力，梁柱中心線不能重合時(shí)，在計(jì)算中考慮偏心對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力和構(gòu)造的不利影響，對(duì)于偏心距大于該方向柱寬的1／4時(shí)，采取增設(shè)梁的水平加腋等措施，降低因?yàn)槠妮^大而產(chǎn)生不利影響。

通常剪力墻在抗震中會(huì)比較理想的體現(xiàn)其抗側(cè)力性，然而，也需要科學(xué)的設(shè)計(jì)，在設(shè)置剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該遵循這樣的原則：沿兩個(gè)主軸方向或其他方向雙向布置，兩個(gè)方向的側(cè)向剛度大體相一致；剪力墻自下到上連續(xù)布置，避面剛度突變，門窗洞口上下對(duì)齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁；避免墻肢寬度相差懸殊的洞口設(shè)置；底部加強(qiáng)部位不采用上下洞口不對(duì)齊的錯(cuò)洞墻，全高均不采用洞口局部重疊的疊合錯(cuò)洞墻；同時(shí)，對(duì)于單片剪力墻，墻長(zhǎng)不超過(guò)8m。

樓梯間、抗側(cè)力電梯間的剪力墻、房屋頂層的配筋對(duì)于加強(qiáng)部位的要求應(yīng)該予以滿足。

剪力墻的布置問(wèn)題和剪力墻的數(shù)量為造價(jià)的主要影響因素，按照建筑平面布局情況來(lái)確定剪力墻的間距，通長(zhǎng)為若干倍建筑開(kāi)間和建筑進(jìn)深，有著過(guò)小的剪力墻間距，這樣能夠有效的展現(xiàn)出墻體材料的強(qiáng)度功能，并且有較大的抗地震反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)在其中。

此外，商住樓為該建筑結(jié)構(gòu)的主要特征，考慮到有較大商鋪空間需求，在布置剪力墻、框架柱是應(yīng)該依據(jù)大開(kāi)間的原則進(jìn)行布置，進(jìn)而能夠?qū)⒓袅?、框架柱的承載能力充分的展現(xiàn)出來(lái)，因此，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在其中都會(huì)非常的優(yōu)越。

此結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度超長(zhǎng)，在建筑物中部設(shè)置了沉降變形縫。

2.3結(jié)構(gòu)布置結(jié)果分析

本工程上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部編制的“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件”SATWE進(jìn)行內(nèi)力和變形計(jì)算，通過(guò)電算輸出結(jié)果分析可知：

1)結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)振型周期Tt和第一平動(dòng)振型周期T1的比值小于0.9，滿足規(guī)范要求。

2)最大層間位移角小于1/1000，在考慮±5%樓層質(zhì)量偶然偏心的單向地震作用下，結(jié)構(gòu)樓層最大層間位移和平均層間位移值的比值小于1.2，屬扭轉(zhuǎn)規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

3)樓層側(cè)向剛度均不小于上部樓層的0.7倍及其上相鄰三個(gè)樓層剛度平均值的80%；樓層受剪承載力大于相鄰上一層的80%，屬豎向規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

4)結(jié)構(gòu)承載力和變形計(jì)算結(jié)果，滿足要求，基本無(wú)超筋超限的情況。

通過(guò)以上電算結(jié)果分析，說(shuō)明結(jié)構(gòu)體系選擇合理，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面選擇合適。

3　結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，分析我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不管是在國(guó)外和國(guó)內(nèi)，都受到了廣大研究人員的高度重視，然而，在理論方法和研究的過(guò)程中，還有很多方面需要不斷的進(jìn)行完善，在高層建筑建設(shè)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型其中非常重要的組成部分，并且，其具備相應(yīng)多個(gè)復(fù)雜性，綜合性也較強(qiáng)，并且有很多的不確定性因素存在于其中，所以，應(yīng)該將很多智能型優(yōu)化方法建立起來(lái)研究結(jié)構(gòu)選型，并且，一些施工人員在工作中應(yīng)該努力的總結(jié)工作經(jīng)驗(yàn)，為以后工作的順利進(jìn)展提供一定的保障，從而將更加美觀適用的建筑結(jié)構(gòu)為人們提供出來(lái)，滿足人們不斷增長(zhǎng)的物質(zhì)需求。積極的發(fā)揮出高層建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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中圖分類號(hào)：TU281