高層建筑結(jié)構(gòu)選型的設(shè)計(jì)原則及特點(diǎn)

文/徐芬 武漢市正華建筑設(shè)計(jì)有限公司 湖北武漢 443000

近些年，為了緩解土地緊張的問(wèn)題，大量高層建筑不斷涌現(xiàn)，因此，對(duì)于高層建筑的結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)成為建筑設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。另一方面，為了提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，必須科學(xué)選擇設(shè)計(jì)方案，保障高層建筑產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)平面布置

結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)該以簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱為主要原則，盡可能使質(zhì)心和鋼心重合。如果結(jié)構(gòu)偏心較大，那么相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也大，造成端部構(gòu)件位移增加，導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此，結(jié)構(gòu)布局中平面突出部分不宜過(guò)長(zhǎng)。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，判斷扭轉(zhuǎn)是否過(guò)大，可以使用概念設(shè)計(jì)方法近似計(jì)算鋼心、質(zhì)心及偏心距，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷。另外，也可以計(jì)算結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)邊緣處的最大層間變形和質(zhì)心處的層間變形，如果兩者比值大于1.2，則扭轉(zhuǎn)太大而結(jié)構(gòu)不規(guī)則，應(yīng)該對(duì)平面布置進(jìn)行優(yōu)化。最后，高層建筑應(yīng)該避免使用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，如果使用功能與建筑的要求、結(jié)構(gòu)平面布置嚴(yán)重不規(guī)則時(shí)，應(yīng)該將平面分割成若干個(gè)簡(jiǎn)單、規(guī)則的獨(dú)立單元。

1.2 結(jié)構(gòu)立體布置

同樣的原則，結(jié)構(gòu)立體布置應(yīng)該規(guī)則、均勻。規(guī)則主要是要確保體型規(guī)則，如果出現(xiàn)變化，也應(yīng)該是有規(guī)則的漸變。如果在豎向上發(fā)生劇變，那么在地震發(fā)生時(shí)很容易出現(xiàn)變形集中，引起某一樓層的倒塌；均勻是指上下體型、剛度、承載力及質(zhì)量分布均勻或者變化均勻。在豎向結(jié)構(gòu)中，剛度應(yīng)該遵循下大上小的原則，自下而上逐漸減小。如果設(shè)計(jì)中下層剛度小，那么變形將會(huì)集中在下部，形成薄弱層，一旦出現(xiàn)突發(fā)的外力作用，比如地震，就會(huì)造成高層建筑的整體坍塌。同樣的，在體型尺寸上，也應(yīng)遵循下大上小、逐漸變化的原則，不能出現(xiàn)體型的突變。上不樓層收進(jìn)使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生，但是對(duì)于收進(jìn)的尺寸應(yīng)當(dāng)限制。收進(jìn)的部位越高，收進(jìn)后的平面尺寸越小，高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑，那么就會(huì)出現(xiàn)“頭重腳輕”的情況，就會(huì)增大扭轉(zhuǎn)反映，大大增加豎向地震影響。

2、某高層建筑結(jié)構(gòu)選型的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目總建筑面積約15萬(wàn)m2，主要建筑功能主體為辦公樓，裙房為商業(yè)。其中地上部分30層，設(shè)4層裙房，結(jié)構(gòu)高度22. 8m；塔樓結(jié)構(gòu)高度150m。地上部分總建筑面積約10萬(wàn)m2。地下部分設(shè)4層地下室，地下總建筑面積約4萬(wàn)m2。

本工程塔樓的主要設(shè)計(jì)條件如下：抗震設(shè)防烈度7度（0.10g）。設(shè)計(jì)地震分組第二組；建筑場(chǎng)地類別W類；場(chǎng)地土特征周期Tg=0.75s；標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。基本風(fēng)壓0.55N/m2（50年）；地面粗糙度類別為C類。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)條件，本工程塔樓的基礎(chǔ)形式選用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2.1 框架核心筒結(jié)構(gòu)體系

本工程是對(duì)應(yīng)高度范圍100～200m的常規(guī)超高層建筑，結(jié)合建筑專業(yè)常用的集中式交通核布置模式，充分考慮結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度需求和結(jié)構(gòu)成本控制需求，結(jié)構(gòu)形式采用框架核心筒結(jié)構(gòu)體系。核心筒部分作為抗側(cè)力的首道防線，是承擔(dān)水平荷載（地震荷載、風(fēng)荷載）的主要部分；框架部分作為抗側(cè)力的二道防線，主要承擔(dān)豎向荷載，外框和內(nèi)筒協(xié)同承載。概念設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析表明，該體系在充分滿足建筑使用功能的前提下，具有較好的結(jié)構(gòu)安全性和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。

2.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系

關(guān)于塔樓選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系或是混合結(jié)構(gòu)體系，相關(guān)比選如下：a）7度區(qū)A級(jí)高度鋼筋混凝土框架孩心筒高層建筑的最大適用高度為130m}塔樓主體結(jié)構(gòu)高度150m，超高15.4%。b）本工程抗震設(shè)防相關(guān)參數(shù)按照規(guī)范7度（0. 10g）選用，抗震等級(jí)按照規(guī)范7度選取，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算烈度和抗震措施水準(zhǔn)中等。c）本工程基本風(fēng)壓0.55kN/m2，場(chǎng)地粗糙度類別C類，風(fēng)荷載水準(zhǔn)中等，經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，風(fēng)荷載不構(gòu)成控制工況。d）依據(jù)既往類似工程案例的比選分析表明，相似高度、相似地震荷載和抗震措施情況下，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系可以相對(duì)節(jié)約整體結(jié)構(gòu)造價(jià)；采用混合結(jié)構(gòu)雖然可以獲得較快的施工進(jìn)度和較低的結(jié)構(gòu)自重，但整體結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)偏高。

結(jié)合上述基本情況，綜合考慮結(jié)構(gòu)合理性和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性，本工程選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。

2.3 豎向構(gòu)件鋼骨設(shè)置條件分析

a）主體結(jié)構(gòu)考慮雙向地震作用的中震不屈服擬彈性計(jì)算結(jié)果表明，嵌固端框架柱底未出現(xiàn)拉應(yīng)力，剪力墻底部墻肢拉應(yīng)力未超過(guò)ftk（底部剪力墻混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），故豎向構(gòu)件不再設(shè)置構(gòu)造型鋼。

b）本工程大部分框架柱軸壓比控制方法包括：配合建筑平面調(diào)整柱截面尺寸（加大直徑）；采用直徑不小于12mm，箍筋間距不大于100mm的井字復(fù)合箍；個(gè)別豎向構(gòu)件底部樓層設(shè)置芯柱。通過(guò)采用上述措施，框架柱最大軸壓比可以滿足規(guī)范相關(guān)要求，故本工程大部分框架柱在滿足建筑截面要求的前提下無(wú)需設(shè)置抗壓鋼骨。

綜上，本工程剪力墻和大部分框架柱（抗拉和抗壓兩方面）直接采用鋼筋混凝土可滿足驗(yàn)算和規(guī)范相關(guān)要求，故不再選用相關(guān)鋼骨設(shè)置方案。

結(jié)語(yǔ)：

隨著城市的發(fā)展，土地資源逐漸稀缺，為了緩解用地緊張的局面，高層建筑逐漸廣泛起來(lái)，成為全球發(fā)展趨勢(shì)。面對(duì)這樣的機(jī)遇，必須加強(qiáng)高層建筑的設(shè)計(jì)重心，重視高層建筑的結(jié)構(gòu)選型，從以人為本的理念出發(fā)，分析最佳結(jié)構(gòu)體系，確保結(jié)構(gòu)的安全性、合理性、經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)高層建筑的健康發(fā)展。