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

摘要：住房需求作為民生問(wèn)題，其能否有效地解決直接決定著人們的生活質(zhì)量。為了滿足人們的住房需求，我國(guó)建筑行業(yè)開始推行高層建筑。但因高層建筑建設(shè)起步晚，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型方面存在一些問(wèn)題，使得高層建筑存在安全隱患。文章以6度區(qū)雙塔高層建筑為例，分析了高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)選型。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)選型；雙塔高層建筑；住房需求；建筑行業(yè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU973 文章編號(hào)：1009-2374（2016）05-0109-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.055

高層建筑是最近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種建筑工程。在我國(guó)住房需求較大、土地資源逐漸匱乏的情況下，高層建筑的推出不僅解決了人們住房問(wèn)題，還節(jié)約了土地資源。因此，近些年越來(lái)越多的高層建筑佇立在城市中。但因高層建筑的樓層高且功能、類型日益復(fù)雜，可能出現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)選型不當(dāng)?shù)那闆r，導(dǎo)致高層建筑存在一定的安全隱患，威脅著人們的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)此，建筑行業(yè)必須從建設(shè)安全建筑的角度出發(fā)，深入研究高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)選型。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)基本特點(diǎn)

1.1.1 水平荷載成為決定因素。任何一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)都要同時(shí)承受垂直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。相對(duì)于低層建筑來(lái)說(shuō)，高層建筑所承受的垂直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響較大。而對(duì)比垂直荷載和水平荷載的作用，水平荷載的決定性作用更大。究其原因：（1）高層建筑自重和樓面使用荷載在建筑構(gòu)件中產(chǎn)生的軸力與彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度成正比。而水平荷載作用在建筑結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的力矩和水平荷載作用在豎構(gòu)件上所產(chǎn)生的軸力，都與樓房高度成正比，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響更大。（2）從豎向荷載的風(fēng)荷載和地震在高層建筑中的作用情況來(lái)看，兩者將直接影響建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，隨著作用效果的增大，建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化幅度不斷增大。

基于以上公式，可以確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件位移將對(duì)連續(xù)梁彎矩、構(gòu)件剪力和側(cè)移有很大影響。原因就在于建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形，會(huì)使得軸向變形，差異軸將會(huì)使得連續(xù)梁中間支座處的副彎矩值發(fā)生改變。而對(duì)于構(gòu)件剪力和側(cè)移的影響，則是按照矩陣位移法來(lái)分別考慮豎向桿件的軸向變形或不變形兩種情況，確定構(gòu)件剪力和側(cè)移的確會(huì)受軸向變形所影響。

1.2 高層建筑結(jié)構(gòu)體系類型

1.2.1 框架—剪力墻體系。框架—剪力墻體系是在框架體系強(qiáng)度和剛度不能滿足要求的情況下提出的。主要是通過(guò)設(shè)置剪力墻來(lái)替換部分框架，進(jìn)而滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在框架—剪力墻體系中，剪力墻設(shè)置的主要目的是增強(qiáng)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，負(fù)責(zé)承受水平荷載，加之框架所承受的垂直荷載，整個(gè)高層建筑位移情況將大大減小。

1.2.2 剪力墻體系。整個(gè)高層建筑受力主體結(jié)構(gòu)均有平面剪力墻構(gòu)件組成的情況被稱為剪力墻體系。因剪力墻體系屬于剛性結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度和高度較高且有一定的延性，使得其是一個(gè)良好的結(jié)構(gòu)體系，能夠承擔(dān)高層建筑水平荷載和豎向荷載，保證高層建筑穩(wěn)定。

1.2.3 筒體體系。單筒體、筒中筒、多束筒等多種形式的通體體系均是以筒體作為抗側(cè)力構(gòu)建的構(gòu)建體系。筒體是一種空間受力構(gòu)件，但因其內(nèi)部填充情況，可以使得其受力程度發(fā)生改變。所以在利用筒體體系中，可以根據(jù)風(fēng)力、地震強(qiáng)度來(lái)合理設(shè)置筒體，促使其構(gòu)件受力合理，提升高層建筑的穩(wěn)定性。

1.3 高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法

1.3.1 結(jié)構(gòu)分析中常用的基本假定。高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件通過(guò)水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。精準(zhǔn)的安裝三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行高層建結(jié)構(gòu)分析是比較困難的。此時(shí)可以利用基本假定的方法來(lái)簡(jiǎn)化分析結(jié)構(gòu)，可以得到準(zhǔn)確且有效的結(jié)論。常用的基本假定有：（1）彈性假定。在高層建筑結(jié)構(gòu)受到垂直荷載或風(fēng)力作用的情況下，結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段。假定建筑結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，那么建筑結(jié)構(gòu)在遭到地震或強(qiáng)風(fēng)的作用下，結(jié)構(gòu)位移程度較大，且可能出現(xiàn)裂縫的情況。利用彈性方法計(jì)算此種假定情況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移，可以真實(shí)反映高層建筑結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。（2）小變形假定。諸多學(xué)者認(rèn)為小變形假定應(yīng)當(dāng)利用非線性問(wèn)題來(lái)了解高層建筑結(jié)構(gòu)變化情況，也就是分析高層建筑結(jié)構(gòu)在地震或風(fēng)力作用下，假定頂點(diǎn)水平位移與建筑高度的比值為1/500時(shí)，分析高層建筑的非線性問(wèn)題，從而明確高層建筑結(jié)構(gòu)在垂直荷載和水平荷載的作用下結(jié)構(gòu)的變化情況。

1.3.2 各類結(jié)構(gòu)體系采用的分析方法。對(duì)于框架—剪力墻體系的分析，主要是采用連梁連續(xù)化假定，也就是根據(jù)剪力墻與框架位移協(xié)調(diào)條件，建立位移與外荷載之間關(guān)系的微分方程，對(duì)其進(jìn)行求解，如此可以了解框架、剪力墻水平位移情況。而對(duì)于剪力墻體系的分析，最好采用平面有限元法，可以對(duì)不同類型的剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析，明確剪力墻的轉(zhuǎn)換層等應(yīng)力分布情況。筒體體系分析中常采用的分析方法有等效連續(xù)化方法、等效離散化方法、三維空間分析法。這三種分析方法的應(yīng)用需要根據(jù)不同分析方法的特點(diǎn)及筒體結(jié)構(gòu)類型，規(guī)范、合理地運(yùn)用分析方法，從而了解筒體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況。

2 6度區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)選型研究

為了實(shí)現(xiàn)6度區(qū)雙塔高層建筑合理的、科學(xué)的結(jié)構(gòu)選型，筆者將從以下三方面展開：

2.1 6度區(qū)雙塔高層建筑說(shuō)明

6度區(qū)雙塔高層建筑是由兩個(gè)高層建筑組成的，總建筑面積約9萬(wàn)m2，分別是33層和32層，地下室是兩層。1號(hào)樓底下三層為商業(yè)樓，上部為住宅樓，1號(hào)樓采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，三層設(shè)高層轉(zhuǎn)換滿足建筑功能。本建筑高層采用的是帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)，部分建筑結(jié)構(gòu)采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。為了應(yīng)用需要，將轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3層，同時(shí)為滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高層建筑框支柱、剪力墻底部進(jìn)行了強(qiáng)化，使其達(dá)到一級(jí)抗震標(biāo)準(zhǔn)。2號(hào)樓為一般住宅樓，采用剪力墻結(jié)構(gòu)。地下為停車場(chǎng)，1號(hào)樓1、2、3層商業(yè)建筑面積為1850.81m2；5～33層設(shè)為居民建筑，建筑面積為1192.67m2。2號(hào)樓32層建筑均設(shè)為居民建筑，其中1層的建筑面積為853.22m2；2～32層的建筑面積為871.98m2。

2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)體系方案的比較

基于以上內(nèi)容的概述，考慮到建筑高度、功能、抗震、經(jīng)濟(jì)性等因素，采用框架—筒體結(jié)構(gòu)體系和剪力墻結(jié)構(gòu)體系均比較適合。為了使6度區(qū)雙塔高層轉(zhuǎn)換層在轉(zhuǎn)換層層高情況下更好地滿足建筑功能的使用，筆者將對(duì)以上兩種高層建筑結(jié)構(gòu)體系方案進(jìn)行分析比較，選擇最佳的結(jié)構(gòu)體系方案。

2.2.1 框—筒結(jié)構(gòu)體系。由于結(jié)構(gòu)平面布置需要充分考慮水平荷載和豎向荷載抵抗情況，在結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則對(duì)稱的同時(shí)，也考慮其剛度的對(duì)稱，在矩形中部設(shè)置樓電梯井筒體，再根據(jù)建筑平面對(duì)稱布置框架。為了保證雙塔高層建筑1號(hào)樓采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，三層設(shè)高層轉(zhuǎn)換滿足建筑功能，2號(hào)樓剪力墻結(jié)構(gòu)，能夠抵抗地震作用，對(duì)結(jié)構(gòu)縱橫兩個(gè)主軸方向進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，也就是將梁和柱的中線進(jìn)行重合設(shè)計(jì)，促使梁和柱直接傳力，減少主軸偏向，帶來(lái)不利影響。

2.2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系?；?度雙塔高層建筑的規(guī)劃方案，為了避免雙塔高層建筑在轉(zhuǎn)換層層高情況下建筑結(jié)構(gòu)可以有效抵抗水平荷載和豎向荷載，促使高層建筑依舊更好地滿足建筑功能的使用要求，1號(hào)樓三層設(shè)高層轉(zhuǎn)換滿足建筑功能，需要增強(qiáng)剪力墻結(jié)構(gòu)體系，因此對(duì)剪力墻的設(shè)置為：（1）合理開設(shè)剪力墻的洞口，將一道剪力分成若干墻段，洞口連梁的跨度較大，促使剪力墻和連梁的彎曲變形能力大；（2）有效控制墻肢截面的高度，避免剪力墻突變，提高剪力墻底部的強(qiáng)度；（3）部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的框支層，其剪力墻的截面面積不應(yīng)小于相鄰非框支層剪力墻截面面積的50%。

2.3 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算軟件

2.3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)及基本參數(shù)。為了高質(zhì)量、高效率地建成6度區(qū)雙塔高層建筑物，在設(shè)計(jì)此高層建筑的過(guò)程中，一定要遵照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等，規(guī)范、合理地進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)選型。

由于地震作用對(duì)高層建筑的影響較大，而本次高層建筑又屬于A級(jí)高度建筑，在進(jìn)行雙塔高層建筑結(jié)構(gòu)選型時(shí)，需要明確場(chǎng)地的特征周期、地震影響系數(shù)、地震放大系數(shù)、基本風(fēng)壓、地面粗糙級(jí)等方面的參數(shù)，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害的評(píng)估結(jié)果，合理分析高層建筑。

2.3.2 計(jì)算軟件的應(yīng)用。計(jì)算軟件采用PKPM-SATWE，它是專門為多、高層結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間組合結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。利用此計(jì)算軟件來(lái)分別分析框—筒結(jié)構(gòu)體系和剪力墻結(jié)構(gòu)體系中的相關(guān)數(shù)值，對(duì)比結(jié)構(gòu)體系，從而優(yōu)選適合的結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于SATWE計(jì)算軟件的應(yīng)用，主要是：（1）設(shè)定整體參數(shù)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及雙塔高層建筑實(shí)際情況，對(duì)軟件初始參數(shù)和特殊構(gòu)件進(jìn)行合理設(shè)置；（2）確定整體結(jié)構(gòu)的合理性。也就是明確6度區(qū)雙塔高層轉(zhuǎn)換層在轉(zhuǎn)換層層高情況下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全情況下的位移情況、剛度情況、剛重情況、剪重情況等，將其設(shè)定為指標(biāo)，分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)體系的高層建筑轉(zhuǎn)換層層高情況下各個(gè)因素的變化情況進(jìn)行分析。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合以上計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果可以確定，結(jié)構(gòu)體系對(duì)建筑使用功能的影響較大。從結(jié)構(gòu)受力的角度來(lái)看，框—筒結(jié)構(gòu)體系的受力越大與核心筒的大小相關(guān)；剪力墻結(jié)構(gòu)體系的受力與剪力墻的強(qiáng)度有關(guān)。所以，綜合考慮6度區(qū)雙塔高層建筑的各個(gè)方面及轉(zhuǎn)換層在轉(zhuǎn)換層層高情況下更好地滿足建筑功能的使用要求，選用剪力墻框架結(jié)構(gòu)體系是非常適合的。

參考文獻(xiàn)

[1]李澤佳.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型探討

[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015，（8）.

[2]師軍福.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型分析

[J].甘肅科技縱橫，2015，44（8）.

[3]司峰軍.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型探討

[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2014，（36）.

[4]梁沃明.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型探討

[J].科學(xué)與財(cái)富，2014，（1）.

[5]林雪.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型探討[J].建材與裝飾，2013，（7）.

[6]陸祝賢.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型探討

[J].科學(xué)與財(cái)富，2015，（5）.

[7]沙建華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型研究

[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015，（20）.

作者簡(jiǎn)介：覃金喜（1983-），男（壯族），廣西環(huán)江人，華藍(lán)設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）