高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)及常見問題分析

周立明

摘要：城市的飛速發(fā)展，高層建筑的密集化是一個重要的標(biāo)志，高層建筑越來越多象征著經(jīng)濟(jì)的增長和建筑技術(shù)的進(jìn)步。其設(shè)計本身是一個非常復(fù)雜又龐大的體系，而結(jié)構(gòu)設(shè)計則是這個體系中的重點(diǎn)，其要具備科學(xué)性和合理性，要能夠滿足高層建筑安全性能方面的需求。本文闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點(diǎn)、并分析了相關(guān)的問題及對策。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；問題

引言：

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系到建筑物的整體形態(tài)，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中是非常重要的。高層建筑結(jié)構(gòu)的選擇是一個非常復(fù)雜的決策問題，并包含大量的不確定性和未知的因素。在設(shè)計高層建筑時要注意認(rèn)真按照設(shè)計原則和規(guī)范，才能建造出優(yōu)質(zhì)的高層建筑。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點(diǎn)

1結(jié)構(gòu)延性是重要的設(shè)計指標(biāo)

高層建筑在地震的作用下變形要更大一些，結(jié)構(gòu)上與低層建筑相比更加柔和一些。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，抗震性能是其所關(guān)注的要點(diǎn)內(nèi)容，它與建筑的使用以及人員安全密切相關(guān)。為了避免倒塌，為了讓在進(jìn)入塑性變形階段后高層建筑結(jié)構(gòu)仍然具有較強(qiáng)的變形能力，為了保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性，在構(gòu)造上需要特別采取恰當(dāng)?shù)拇胧?/p>

2軸向的變形不可忽視

不同外部壓力載荷條件下，高層建筑結(jié)構(gòu)在豎向呈現(xiàn)差異性壓縮變形趨勢。豎向載荷在高層建筑中較大，對連續(xù)梁彎矩會產(chǎn)生影響，能在柱中引起較大的軸向變形，會造成跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大，連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩減小。另外，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，對側(cè)移和構(gòu)建剪力產(chǎn)生影響，會得出偏于不安全的結(jié)果。因此，設(shè)計人員應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免因過大的軸向變形而形成連續(xù)梁中間支座沉陷等系列問題。

3決定因素為水平荷載

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮到水平和垂直兩個方向的作用。水平方向的作用主要指的是要承受地震和風(fēng)的作用，而垂直方向的作用主要指的是建筑物的自重和使用荷載。區(qū)別于層數(shù)較少的建筑，高層建筑整體結(jié)構(gòu)承受的水平載荷相對較大，對于水平載荷水平的控制直接決定了高層建筑的整體穩(wěn)定性。水平荷載在豎構(gòu)建中引起的軸力及對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，與樓房高度的兩次方是成正比的；樓面使用荷載和高層建筑樓房的自重在豎構(gòu)件中所引起的彎矩和軸力數(shù)值，僅僅和建筑高度一次方成正比。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1選擇適合的基礎(chǔ)方案

一個高層建筑項目的良好基礎(chǔ)是關(guān)鍵，所以選擇基本設(shè)計工程結(jié)構(gòu)仍然是一個重點(diǎn)，要考慮很多問題，這是要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H地質(zhì)情況，周邊環(huán)境，周圍的建筑等等各種因素進(jìn)行綜合性分析，選擇既合理又經(jīng)濟(jì)的方案，必要時要進(jìn)行地基變形演算，在進(jìn)行設(shè)計時要最大限度地發(fā)揮地基的潛力。在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)該參考臨近建筑資料和進(jìn)行現(xiàn)場查看，要有詳細(xì)的地質(zhì)勘查報告，一般情況下，在一個結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部適合用兩種不同的類型。

2對計算結(jié)構(gòu)進(jìn)行正確分析

普遍在結(jié)構(gòu)設(shè)計中運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)，但是，往往不同的軟件會得出不同的計算結(jié)果。所以，對于程序的適用條件、范圍等設(shè)計師應(yīng)該進(jìn)行全面的了解。設(shè)計人員在計算前必須對軟件計算原理及范圍有清晰的認(rèn)識，并根據(jù)工程實際情況，按照“適用性、準(zhǔn)確性、規(guī)范性、完備性”的原則，選擇適合本工程的計算程序，計算方法選擇不正確或是由于人為的因素導(dǎo)致輸入有誤，則會影響到計算結(jié)果的正確性。

3選用適當(dāng)?shù)挠嬎愫唸D

在計算簡圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時，為了保證結(jié)構(gòu)的安全，要選擇適當(dāng)?shù)挠嬎愫唸D。計算簡圖的選取在結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析中占有相當(dāng)重要的地位，它直接影響著計算工作量的大小和分析結(jié)構(gòu)與實際間的差異。在計算簡圖的選取時，應(yīng)注意正確反映結(jié)構(gòu)的實際受力情況，使計算結(jié)果盡可能與實際相符。為了減少計算簡圖的誤差，實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該保證在設(shè)計所允許的范圍之內(nèi)，因為其不能是純粹的剛結(jié)點(diǎn)。

4合理選擇結(jié)構(gòu)方案

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計核心工作就是應(yīng)該選取適合建筑的結(jié)構(gòu)方案，只有結(jié)構(gòu)方案選擇準(zhǔn)確才能夠保障其整體的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平達(dá)到理想的要求，而對于這種結(jié)構(gòu)方案的選擇來說，其需要考慮的問題和要點(diǎn)是比較多的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)通過適當(dāng)增加或減少剪力墻厚度、長度、位置等方法，減小結(jié)構(gòu)質(zhì)心、剛心的距離。要選擇一個切實可行的結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)形式，一個經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案是一個合理設(shè)計的保證?？傊仨毦C合分析工程的材料、施工條件、設(shè)計要求、地理環(huán)境等，并且要與水、電、建筑等專業(yè)進(jìn)行充分的協(xié)商，以此為基礎(chǔ)確定結(jié)構(gòu)方案，為結(jié)構(gòu)選型，最好進(jìn)行多方案比較后選用較為優(yōu)秀的。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題及對策

1短肢剪力墻的設(shè)置問題

在當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題是比較多的，并且很多問題的存在甚至?xí)τ诟邔咏ㄖa(chǎn)生致命的影響。相關(guān)設(shè)計人員往往很容易出現(xiàn)增設(shè)短肢剪力墻的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)必然會影響到高層建筑的穩(wěn)定性和安全性，并且對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用根據(jù)實際經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)增加了眾多限制，所以，在設(shè)計高層建筑中時，為了避免給后期的設(shè)計增加不必要的麻煩，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該盡可能地不用或者是少用短肢剪力墻。

2結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題

為了避免高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移現(xiàn)象，為了避免后期施工圖的設(shè)計階段工作變得被動，在遵循新規(guī)范的各種限制條件上結(jié)構(gòu)工程師必須要嚴(yán)格注意。需在設(shè)計時嚴(yán)格規(guī)定高層建筑的施工參數(shù)規(guī)則，比如做高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要設(shè)定好上下剛度比、平面規(guī)則性等一系列參數(shù)，同時要盡量避免使用不規(guī)則的設(shè)計參數(shù)，如果在施工過程中需要更改參數(shù)，就需要做好科學(xué)的分析。

3結(jié)構(gòu)超高的問題

對結(jié)構(gòu)的總高度在高規(guī)范以及抗震規(guī)范中著非常嚴(yán)格的限制，特別是針對以前超高的問題，例如限制高層建筑設(shè)計的高度需在A級高度范圍內(nèi)，部分建筑還必須在B級高度的限制內(nèi)，這種規(guī)定使我國在設(shè)計高層建筑時，有一定的高度安全保障，建筑設(shè)計人員要在高度允許的范圍內(nèi)設(shè)計好其它的參數(shù)，使高層建筑的設(shè)計能滿足施工的實際需求。一味的增加高度對于高層建筑的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不利的影響和經(jīng)濟(jì)性差，最主要的就是會影響高層建筑的抗震能力，在產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)或者地震等自然災(zāi)害是為產(chǎn)生不舒適感，甚至危及安全。

4嵌固端的設(shè)置問題

嵌固端是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為重要的一個組成部分。在高層建筑中嵌固端有可能設(shè)置在人防頂板等位置，也有可能設(shè)置在地下室頂板。這主要是由于一般高層建筑都帶有兩層或兩層以上的人防和地下室。進(jìn)行嵌固端的上下層剛度比較，保證上下層剛度比的合理性，要使嵌固端的設(shè)計具有較強(qiáng)的合理性，要多方面考慮嵌固層的各項指標(biāo)的比較和分析，任何一個方面漏掉都可能會埋下安全隱患或者給后期的設(shè)計工作帶來大量的修改。

5提高建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，其最為主要的一個目標(biāo)就是應(yīng)該盡可能的滿足各方面性能的要求，只有這樣才能保障其結(jié)構(gòu)有助于高層建筑后期的長期安全使用。對于結(jié)構(gòu)的抗震性、牢固性以及相應(yīng)應(yīng)力的處理上，在這些方面的問題也必然會影響到高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的效果，最終導(dǎo)致其整體的高層建筑建設(shè)受損。為了保證高層建筑的剛度，在設(shè)計高層建筑時，要盡量避免使用短肢剪力強(qiáng)結(jié)構(gòu)同時在做建筑設(shè)計時，要對建筑混凝土墻的開孔個數(shù)、位置、方法作限制，以免出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的隱患在作建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還需要嚴(yán)設(shè)計材料的使用規(guī)格，以免因為材料問題引起建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的隱患。

四、結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個長期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過程，任何在這個過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設(shè)計過程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計結(jié)果存在不安全因素。因此，針對這些問題進(jìn)行必要的控制，恰當(dāng)準(zhǔn)確的選擇最佳的設(shè)計方案，確保其相關(guān)計算的準(zhǔn)確性和合理性也是極為必要的。當(dāng)然，對于整個的結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)來說，提高設(shè)計人員的設(shè)計水平也應(yīng)該是當(dāng)前需要解決的一個重要問題。

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