復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鄒玲芬(上海市對外服務(wù)有限公司國際人才分公司，上海200001)

復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鄒玲芬
(上海市對外服務(wù)有限公司國際人才分公司，上海200001)

近年來，國內(nèi)建筑行業(yè)發(fā)展較快，為了節(jié)省建筑用地，同時(shí)提高建筑的利用率，超高層建筑和復(fù)雜高層建筑逐年增多。為了保障用戶的住宿和使用的安全性，在建設(shè)這2種高層建筑時(shí)必須有效依照其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和施工。只有這樣才能最大程度發(fā)揮這2種高層建筑的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。論文對這2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究與分析，望對相關(guān)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)提供幫助。

復(fù)雜高層；超高層；建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.110

1 引言

同低層建筑相比，高層建筑和復(fù)雜高層建筑對設(shè)計(jì)和施工要求相對更高，只有控制好復(fù)雜高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)才能有效地建設(shè)出性能最佳，安全性最高的高層建筑。但是這2種高層建筑的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，施工程序相對較高，所以必須嚴(yán)格控制好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[1]。對此，本文進(jìn)行了相關(guān)研究與分析。

2 工程概況

上海某超高層建筑預(yù)計(jì)共44層高，主要用途為商業(yè)娛樂場所。由于場所用途較廣，所以建筑的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，急需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要把握的幾個(gè)重要問題

3.1 水平荷載問題

低層的建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，可以不需要重點(diǎn)考慮豎直方向可能會(huì)產(chǎn)生的彎矩和軸向應(yīng)力，而超高層建筑則不同，必須充分考慮水平荷載問題。該問題主要是指一個(gè)高層建筑在建設(shè)時(shí)會(huì)受到自重的影響，豎直方向上可能會(huì)產(chǎn)生一定的彎矩和軸向應(yīng)力，這種問題隨著建筑高度的不斷增加而隨之增加，最終建筑會(huì)因水平載荷而出現(xiàn)豎向軸向應(yīng)力和傾覆力矩。由于超高層的豎向軸向應(yīng)力是固定的，所以其水平荷載在外力（包括地震、風(fēng)力作用等）的影響之下會(huì)出現(xiàn)變化，所以對上述建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要充分考慮水平荷載問題。確保建筑材料能夠承受一定的水平荷載，同時(shí)也要對水平荷載波動(dòng)情況進(jìn)行細(xì)致地分析。

3.2 側(cè)向位移問題

由于超高層建筑具有一定的水平荷載現(xiàn)象，在建筑高度逐漸增加之后，水平荷載會(huì)愈發(fā)增大，而水平荷載增加會(huì)導(dǎo)致高層建筑出現(xiàn)側(cè)向位移。側(cè)向位移問題的嚴(yán)重程度與建筑的高度密切相關(guān)，所以在對該建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一定要認(rèn)真計(jì)算最大的側(cè)向位移，對其進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3.3 軸向變形問題

44層高的超高層建筑，其高度相對較高，自然就會(huì)產(chǎn)生較大的豎向應(yīng)力，長期以往容易出現(xiàn)柱體的軸向變形情況，極易破壞建筑的梁彎矩，對建筑的側(cè)向位移、構(gòu)件剪力等均會(huì)產(chǎn)生一定的影響，所以必須重視。

3.4 結(jié)構(gòu)延性問題

對于高層建筑來說，由于高度相對較高，所以要比低層建筑要更加注意抗震性能。而若想保持較高的抗震性能就必須具有較好的結(jié)構(gòu)延性，能夠保證建筑在地震中不會(huì)形成較大變形，以此來達(dá)到抗震的作用。

4 復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 分析構(gòu)件，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，完善結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

在對復(fù)雜高層及超高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。（1）對復(fù)雜高層和超高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一定要將建筑的實(shí)用性和穩(wěn)定性作為建設(shè)基礎(chǔ)，同時(shí)對其相關(guān)的構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，重點(diǎn)把握應(yīng)力較為集中部位的構(gòu)件穩(wěn)固性，充分考慮風(fēng)力、溫度等因素對建筑可能產(chǎn)生的影響，盡量降低側(cè)向位移和軸向變形等情況。（2）在對構(gòu)件進(jìn)行分析時(shí)一定要做好構(gòu)件的質(zhì)量控制，對構(gòu)件自身的軸向變形和延性性能進(jìn)行檢測。（3）優(yōu)化建筑高層的結(jié)構(gòu)方案，合理選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。所謂最佳設(shè)計(jì)方案是指既能夠以工程實(shí)際建設(shè)需求為基礎(chǔ)，又能充分涵蓋多種構(gòu)件情況、施工技術(shù)、可能發(fā)生的問題、材料質(zhì)量檢測和工程成本控制等要素。這些要素之間要保證其能夠有效地協(xié)調(diào)和優(yōu)化，確保設(shè)計(jì)方案的具體性和全面性。由于方案較多，所以在選擇上也要進(jìn)行細(xì)致地區(qū)分和對比，最后選擇最佳方案。（4）完善結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖。計(jì)算簡圖中涵蓋了超高層建筑的結(jié)構(gòu)情況和所有方案得以運(yùn)行的數(shù)據(jù)，所以在復(fù)雜高層和超高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，一定要對結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖進(jìn)行完善，使其充分體現(xiàn)高層建筑的結(jié)構(gòu)信息，也確保了信息呈現(xiàn)的科學(xué)性和直觀性，能清楚直觀顯示建筑結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 高層建筑三維結(jié)構(gòu)圖

4.2 構(gòu)建完善的建筑結(jié)構(gòu)體系

體系建設(shè)是高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，本文針對目前較為常見的3種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析。

4.2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)就是指通過剪力墻來承擔(dān)豎向載荷和側(cè)向載荷，它的主要墻體結(jié)構(gòu)為多軸線斜交布置和橫向縱向交叉布置，該結(jié)構(gòu)具有一定的剛度和強(qiáng)度，具有一定的抗震性和延性。但是這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用到高層建筑中其平面控制較為復(fù)雜，側(cè)向位移也會(huì)隨之產(chǎn)生。

4.2.2 框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)主要包含柱、梁、板以及基礎(chǔ)4種承重構(gòu)件，其中，柱和梁的彎曲變形狀況會(huì)致使框架出現(xiàn)剪切型的側(cè)移曲線。隨著建筑高度的增加，框架的側(cè)向位移隨之降低，而柱的軸向變形引發(fā)的側(cè)向位移則會(huì)隨著建筑高度的增高而逐漸增大。由于該結(jié)構(gòu)工程造價(jià)較低，成本較少，所以常被應(yīng)用于建筑工程中，但是由于框架結(jié)構(gòu)的柔性較大，所以其抗震能力及抵抗側(cè)向載荷能力較差，隨著建筑高度的增加也會(huì)深受地震和風(fēng)力的影響，最終出現(xiàn)較大的側(cè)向位移，不利于建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

4.2.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

綜合上述2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，誕生了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)兼具上述2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，對豎向載荷和水平載荷具有明確的分工。其中，框架結(jié)構(gòu)承擔(dān)豎向載荷，而剪力墻結(jié)構(gòu)則承擔(dān)水平載荷。一旦發(fā)生水平載荷過大的情況，該結(jié)構(gòu)可以及時(shí)同連梁和樓板進(jìn)行相互配合，最終確保能夠承受應(yīng)力的最大化。對建筑工程應(yīng)該采取框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，既能夠滿足高層建筑的抗震需求，同時(shí)也具有一定的結(jié)構(gòu)延性，有利于高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.3 正確選擇設(shè)計(jì)指標(biāo)

相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該積極采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件對多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行合理的計(jì)算。（1）計(jì)算風(fēng)荷載。依照100年重現(xiàn)期下風(fēng)荷載合理計(jì)算建筑多個(gè)構(gòu)件所能承受的最大風(fēng)力，再針對近50年來的重現(xiàn)期下的風(fēng)載荷計(jì)算、分析和控制其承載力。（2）針對地震荷載設(shè)計(jì)抗震指標(biāo)具體參數(shù),依照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（G月50011—2010）設(shè)計(jì)地震荷載[2]。有相關(guān)研究內(nèi)容顯示，超高層建筑結(jié)構(gòu)的自振周期為6～9s，在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一定要控制直線的傾斜下降段為10s[3]。在施工前嚴(yán)格評估工程所在位置的地震發(fā)生頻率和相應(yīng)的安全性。一旦安全性的評估結(jié)果超過相關(guān)規(guī)范，可選用評估的最終結(jié)果。（3）對其他影響高層建筑的位移比、自振周期、剪重比等進(jìn)行科學(xué)化的計(jì)算和設(shè)計(jì)。結(jié)合工程的實(shí)際情況確定地震力的放大情況，然后分析自振周期所受的影響。同時(shí)，確定振型數(shù)目，調(diào)整振型參與系數(shù)，以此來保證結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性。在確保高層建筑安全性的同時(shí)還要積極保證其舒適性，明確設(shè)計(jì)鋼筋和混凝土的規(guī)程。特別注意在計(jì)算和設(shè)計(jì)為了美觀性而采取的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，也要充分考慮其抗震性能和抵抗風(fēng)力的能力。

5 結(jié)語

復(fù)雜高層與超高層建筑設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響綜合性極強(qiáng)的工作，尤其是在滿足建筑使用功能需求的同時(shí)，還要滿足高層建筑的建設(shè)環(huán)境需要，通過全盤考慮的方式，采取嚴(yán)格的設(shè)計(jì)措施和設(shè)計(jì)途徑，基于建筑混凝土整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多項(xiàng)要求，提高建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性?？偠灾?，建設(shè)復(fù)雜高層和超高層建筑時(shí)必須充分認(rèn)識到這2種高層建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，然后依照該特點(diǎn)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工，期間重點(diǎn)把握結(jié)構(gòu)計(jì)算和結(jié)構(gòu)選型等問題。為了進(jìn)一步明確結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，本文進(jìn)行了相關(guān)研究與探討，但是就本次研究內(nèi)容而言，仍然不夠全面，今后將聯(lián)合相關(guān)部門進(jìn)行深入的研究與探討，以求最大程度上建設(shè)出性能和安全性更高的高層建筑。

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圖2 后續(xù)工作的開展流程

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【收稿日期】2016-11-01

Key Points of Structural Design for Complex High-Rise Buildings and Super High-Rise Buildings

ZOU Ling-fen

(Shanghai International Service Co.Ltd.International Talent Branch,Shanghai 200001,China)

In recent years, the domestic construction industry has developed rapidly. In order to save the construction land and increase theutilization rate of the building, the high-rise buildings and complex high-rise buildings increase year by year. In order to guarantee the safety of theusers' accommodation and use, High-rise building must be effectively in accordance with its structural elements of the rational design andconstruction, it is the only way to maximize the practical application value of the two high-rise buildings.This paper researches and analyses thesetwotype buildings, in order to preferring some help to the relevant design, construction.

complexhigh-rise;superhigh-rise;building structure;design key points

TU973+.3

A

1007-9467（2016）12-0020-03

2016-11-03

鄒玲芬（1979～），女，上海人，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與管理研究。