淺析城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

王貴正

摘要：城市高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要注意的要點有很多，涉及到各種力學知識和計算分析，本文就對城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)問題進行研究，以促進城市高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷優(yōu)化和工程質(zhì)量的不斷提高。

關(guān)鍵詞：城市；高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；受力問題；要點；問題

引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提升，建筑行業(yè)的市場規(guī)模也不斷擴大。人們對高層建筑的功能要求、復(fù)雜變化的外觀體型及不斷加大的建筑高度等方面的要求日益增多，城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度也越來越大，對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員知識和經(jīng)驗的要求也越來越苛刻，這也成為城市高層建筑發(fā)展建設(shè)的瓶頸和難點之一。因此，我們需要不斷優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證高層建筑結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量。

1城市高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計時所面臨的受力問題

在進行高層建筑設(shè)計時，建筑的最初設(shè)計方案不僅要考慮到整個建筑的功能需求和空間特點，還要根據(jù)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置，對建筑的受力進行綜合分析，確定該方案所采用的結(jié)構(gòu)體系能夠?qū)崿F(xiàn)。對于高層建筑來說，建筑空間影響著建筑的整體結(jié)構(gòu)布局，包括根據(jù)建筑的水平和豎向受力特點所確定的結(jié)構(gòu)體系。高層建筑往往由較大的構(gòu)件構(gòu)成，整體建筑的水平和豎向荷載通過結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件傳入地基后，由地基基礎(chǔ)來承載，這就需要了解地基基礎(chǔ)的承載能力以及建筑結(jié)構(gòu)各體系之間甚至各構(gòu)件之間的相互作用關(guān)系，從而對建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行正確的、符合實際的計算分析。高層建筑的結(jié)構(gòu)受力主要由豎向作用和水平作用控制，豎向作用包括建筑、結(jié)構(gòu)自重和樓層活荷載等，水平作用包括風、地震作用等。當建筑高度較低時，結(jié)構(gòu)的豎向作用是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要控制因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要需要對墻、柱等構(gòu)件進行豎向受力計算分析，通過豎向受力狀況來控制構(gòu)件的截面、材料等。隨著層數(shù)和高度的不斷增加，水平作用越來越成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素。一方面，水平作用隨著建筑高度的增加而不斷增加，其對建筑物產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎向構(gòu)件中引起的軸力，與建筑高度的兩次方成正比；另一方面，對高度建筑來說，風和地震等水平作用的數(shù)值隨著建筑結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。當達到一定高度的時候，高層建筑因水平作用所產(chǎn)生的位移和舒適度問題將成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的決定性因素。

2城市高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計時需要注意的原則要點

城市高層建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計時需要注意一些原則，從而保證建筑結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，以下就對需要注意的原則進行簡單的分析：

2.1 根據(jù)地質(zhì)條件做好高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)是建筑物的重要組成部分，建筑物所承受的各種荷載都要經(jīng)過基礎(chǔ)傳至地基。在進行高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，首先要對建筑物基礎(chǔ)進行設(shè)計，根據(jù)地質(zhì)勘查取得的高層建筑所在位置的地質(zhì)狀況、高層建筑的上部結(jié)構(gòu)類型、水平和豎直荷載以及高層建筑周圍的已建建筑影響、實際施工環(huán)境及施工條件等進行綜合的經(jīng)濟技術(shù)分析，選擇合適的地基基礎(chǔ)形式。由于高層建筑層數(shù)多、高度大，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載一般很大，要解決這一問題有兩種方法：

①加大基礎(chǔ)面積，減小基底應(yīng)力；②對地基進行處理，提高地基承載力，或采用承載力較高的樁基等。通常情況下我們不一味的加大基礎(chǔ)面積或一味的提高地基承載力來解決這個問題，而是通過計算分析，采用合理的基礎(chǔ)尺寸，同時采用合適的技術(shù)對地基進行處理，提高地基承載能力，以達到較好的經(jīng)濟技術(shù)效果。

2.2 做好高層建筑的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進行高層建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先要對建筑的結(jié)構(gòu)體系與形式進行研究，根據(jù)建筑的功能要求、受力狀況、荷載變化等選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。合理的結(jié)構(gòu)體系不僅要具有必要的承載能力、剛度和延性，還要避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞而導致整個結(jié)構(gòu)喪失承受重力荷載、風荷載和地震作用的能力，同時還要考慮經(jīng)濟性的問題。目前，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)可采用的結(jié)構(gòu)體系有框架、剪力墻、框架-剪力墻、板柱-剪力墻和筒體等，每種結(jié)構(gòu)體系都有自身的受力特性、適用高度、優(yōu)缺點等，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)建筑物自身特點，綜合考慮建筑的安全性、經(jīng)濟性、可靠性與穩(wěn)定性，具體問題具體分析，采用適合建筑自身的結(jié)構(gòu)體系。在進行高層建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還需要根據(jù)建筑綜合的設(shè)計要求與指標，對建筑結(jié)構(gòu)的施工環(huán)境、施工材料的供給、施工的復(fù)雜程度等進行綜合、全面的分析與研究，降低和減少工程施工難度。同時，配合水暖電等其他專業(yè)做好主體結(jié)構(gòu)的相關(guān)專業(yè)設(shè)計。

2.3 選擇合適的計算簡圖

高層建筑是三維空間結(jié)構(gòu)，構(gòu)件多、受力復(fù)雜，在進行結(jié)構(gòu)計算分析時，需要對建筑結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)件布置進行力學上的適當簡化處理，使其既能比較正確的反映結(jié)構(gòu)的受力性能，又適應(yīng)于所選用的計算分析軟件的力學模型，從根本上保證結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的可靠性。

2.4 對結(jié)構(gòu)進行準確的計算

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，還要做好結(jié)構(gòu)的計算，在計算設(shè)計時一般都需要應(yīng)用計算機軟件技術(shù)。目前結(jié)構(gòu)計算分析軟件種類比較多，每種軟件都有其自身的適用條件，使用不當，可能導致結(jié)構(gòu)計算的不合理甚至不安全。在選擇計算軟件時，要掌握結(jié)構(gòu)計算軟件的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)計算所適用的具體范圍，避免由于參數(shù)輸入錯誤或軟件自身缺陷所造成的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的較大偏差。

3高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要注意的問題

在進行城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還要注意一些問題，從而保證高層建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，主要包括以下幾個方面：

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的規(guī)則性問題

在高層建筑的抗震設(shè)計中，合理的建筑體型和布置是非常重要的，因為震害表明，簡單、對稱的建筑在地震時較不容易破壞，而且容易估計其地震時的反應(yīng)，容易采取抗震構(gòu)造措施和進行細部處理。我國現(xiàn)行規(guī)范《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：“高層建筑不應(yīng)采用嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系”，“高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向和水平布置宜使結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和承載力分布，避免因剛度和承載力局部突變或結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)而形成薄弱部位”等，規(guī)范對高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性設(shè)計提出了相應(yīng)的限制條件，在高層建筑的實際工程設(shè)計中，應(yīng)避免出現(xiàn)規(guī)范中規(guī)定的不應(yīng)采用的結(jié)構(gòu)布置方案。

3.2 高層建筑的適用高度問題

在城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，還要考慮到高層建筑的適用高度問題。我國對高層建筑結(jié)構(gòu)的適用高度有明確規(guī)定，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中把高層建筑高度分為A、B級。為保證B級高度高層建筑的設(shè)計質(zhì)量，抗震設(shè)計的B級高度的高層建筑，應(yīng)進行超限高層建筑的抗震設(shè)防專項審查復(fù)核。超過規(guī)范規(guī)定高度的特殊建筑，還要通過專門的審查、論證，補充更嚴格的計算書，必要時還要進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)試驗研究。因此，在設(shè)計時，要嚴格控制建筑的具體高度，避免出現(xiàn)規(guī)范規(guī)定外的超高建筑。

3.3 高層建筑結(jié)構(gòu)的嵌固端問題

很多的高層建筑都會建有地下室，有二層或者三層不等，在進行高層建筑的地下室設(shè)置時，一般會把地下室的頂板處設(shè)置為建筑結(jié)構(gòu)的嵌固端，而該處地下室頂板和下層側(cè)向剛度需要滿足規(guī)范規(guī)定的相應(yīng)條件后，該部位方能作為整座建筑的嵌固端。如果不能滿足規(guī)范，可采取相應(yīng)措施如加大板厚、增加剪力墻等方法，使其滿足規(guī)范要求。

4結(jié)語

總之，對于城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，需要注意的要點有很多，我們要按照高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則進行，優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證高層建筑結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量。