高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點分析

周玉明

摘 要：建筑的高層化和多樣化發(fā)展，使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的變化越來越多。面對建筑類型、功能、數(shù)量的不斷增加，高層建筑結(jié)構(gòu)體系的多樣化，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計迎來了新新的機遇與挑戰(zhàn)。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，合理確定建筑設(shè)計標準、經(jīng)濟性措施和原則，這樣不僅滿足設(shè)計各類建筑的需求，同時也改善了人類的居住環(huán)境。本文論述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計特點

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

結(jié)構(gòu)設(shè)計在整個高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中所占的比重比非高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要大得多，其作用也更為重要。不同的建筑結(jié)構(gòu)體系直接關(guān)系到建筑整個設(shè)計高度、建筑立面與平面的處理與布置，甚至會影響整個建筑施工方案、施工周期的設(shè)計與安排、可以說起對建筑工程的各個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生一定的影響。以建筑結(jié)構(gòu)體系的受力特點為基礎(chǔ)，相關(guān)設(shè)計人員在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中主要應(yīng)該考慮建筑垂直負荷、水平負荷以及側(cè)移能力三大方面。

1.1高層建筑結(jié)構(gòu)的垂直負荷分析

高層建筑結(jié)構(gòu)所受垂直負荷影響多存在于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系中。對于非高層建筑，其軸向力對建筑本身影響較小，同時剪切力也可忽略不計，只需考慮建筑自重對支撐墻的彎矩作用即可。高層建筑在建筑高度、建筑樓層上都遠高于低層建筑，因此高層建筑自重大，其垂直方向負荷也大，軸向變形受建筑高度影響大，彎矩作用明顯。對于框架體系或者框架-剪力墻建筑結(jié)構(gòu)體系而言，當樓層建筑高度超過一定值的時候，軸線壓應(yīng)力對框架中柱的影響超過對框架邊柱的影響，中柱軸向變形明顯，造成的直接后果就是中柱下沉，進而引發(fā)建筑橫梁中間的支座處的負彎矩值縮減，而橫梁兩側(cè)的負彎矩值則會增大。此外，預(yù)制建筑構(gòu)件的下料長度同樣取決于建筑橫梁等構(gòu)件的軸向變形大小，而軸向變形還會對建筑構(gòu)件的抗剪力與側(cè)移能力造成破壞，帶來安全隱患。

1.2高層建筑結(jié)構(gòu)的水平負荷分析

不論高層建筑還是低層建筑，其本身都同時承受著來著垂直方向的負荷與水平方向的荷載，不同于垂直負荷，水平負荷可能來自建筑的任何方向，因此水平載荷是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。對于低層建筑，水平方向負荷對其影響較小，不會對其產(chǎn)生具有破壞性的內(nèi)力與位移變形，或者結(jié)構(gòu)損壞，其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要集中在以重力為主要作用力的垂直負荷控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計上。高層建筑則不同，因其建筑高度與樓層增多的緣故，除了垂直方向負荷變大之外，其受到風力等外部水平作用力的影響更大，這主要取決于兩個方面的考慮，一方面，建筑高度與樓層增加帶來的荷載變化對建筑結(jié)構(gòu)尤其是豎構(gòu)件的軸向作用與彎矩作用增大，且其關(guān)系為正相關(guān)性，水平荷載則會對建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生傾覆力矩，并與垂直方向軸向影響疊加，放大對建筑結(jié)構(gòu)的破壞，這種毀壞性是與建筑高度之間呈二次方正比的關(guān)系，另一方面，水平方向外部作用力，如軸向載荷、風力或者地震等，方向與數(shù)值變化快而多，對高層建筑而言，其結(jié)構(gòu)動力特性會隨著外部作用力的變壞而產(chǎn)生大幅度的變壞，因此，在高層建筑設(shè)計中，水平載荷是其結(jié)構(gòu)設(shè)計中的決定性因素。

1.3高層建筑的側(cè)移能力分析

除了對高層建筑結(jié)構(gòu)水平荷載與垂直荷載能力進行分析研究之外，還應(yīng)當對其結(jié)構(gòu)側(cè)移能力進行控制與承載的計算分析。建筑高度與樓層數(shù)的增加，會引起建筑結(jié)構(gòu)組成構(gòu)件的側(cè)向變形，其側(cè)向變形增加速度約為建筑高度的四次方倍。建筑結(jié)構(gòu)尤其是豎向構(gòu)件，在發(fā)生結(jié)構(gòu)側(cè)移時將會產(chǎn)生附加內(nèi)力，導(dǎo)致建筑重心改變，當側(cè)移數(shù)值超過建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移極限時，結(jié)構(gòu)就會變形甚至斷裂，對室內(nèi)居住人員，會引起其恐慌，對建筑內(nèi)飾則會造成損壞或者室內(nèi)電氣設(shè)備、管道開裂，嚴重時會致使建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大裂縫，最終導(dǎo)致建筑坍塌。

2 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

2.1框架-剪力墻體系

當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設(shè)置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架-剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力。框架-剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置，增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架-剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

2.2剪力墻體系

當受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu)，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結(jié)構(gòu)體系，能建高度大于框架或框架-剪力墻體系。

2.3筒體體系

凡采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、筒體-框架、筒中筒、多束筒等多種型式。筒體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。筒體體系具有很大的剛度和強度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅要保證結(jié)構(gòu)的強度與結(jié)構(gòu)抗推剛度，還需要將高層建筑的側(cè)移數(shù)值控制在規(guī)定的安全區(qū)域內(nèi)，這就要求設(shè)計人員必須綜合考慮建筑材料的應(yīng)用、新型建筑形式與結(jié)構(gòu)體系的研究，確保建筑結(jié)構(gòu)在受到水平荷載時不會發(fā)生側(cè)移過度，保證居民的居住舒適度與安全度。

3 結(jié)語

高層建筑的建設(shè)發(fā)展速度很快，如果設(shè)計時單一從質(zhì)量上考慮分析，其結(jié)果是不完善、不理想的。因為在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，不能夠僅僅單一的重視結(jié)構(gòu)計算工作的準確性，忽略整個結(jié)構(gòu)方案在實際施工中的應(yīng)用情況也不行。應(yīng)該設(shè)計出更加合理的結(jié)構(gòu)方案，以便選擇；應(yīng)該根據(jù)工程的實際情況來進行具體的分析，并利用自身所掌握的知識和經(jīng)驗對實際建筑設(shè)計中遇到了各種問題進行適當?shù)奶幚?，以達到工程設(shè)計、施工的全面質(zhì)量優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，且安全可靠，造價經(jīng)濟。

參考文獻

[1]張江.超高層建筑新型建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用[J].新科學技術(shù)，2009

[2]寇福立，田明，王春明.高層建筑結(jié)構(gòu)選型分析[J].河北建筑工程學院學報，2011

[3]朱華冬，姜百惠.高層建筑中嵌固端的位置選擇[J].現(xiàn)代營銷（學苑版），2011

（作者單位：江蘇中珩建筑設(shè)計研究院有限公司）