淺析高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

盧國(guó)華

(江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院,江西 南昌 330001)

1 前 言

目前,我國(guó)國(guó)內(nèi)高層建筑常用的結(jié)構(gòu)體系有：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)等。高層建筑受到較大的側(cè)向力(水平風(fēng)力或水平地震力),在建筑結(jié)構(gòu)底部豎向軸力也很大。在高層建筑中,可以認(rèn)為柱的軸向力與層數(shù)為線性關(guān)系,水平力近似為倒三角形分布,在水平力作用下,結(jié)構(gòu)底部彎矩與高度平方成正比,頂點(diǎn)側(cè)移與高度四次方成正比。上述彎矩和側(cè)移值,往往成為控制因素。此外,高層建筑各構(gòu)件受力復(fù)雜,對(duì)截面承載力和配筋要求較高。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

建筑基礎(chǔ)是上部結(jié)構(gòu)賴以生存的關(guān)鍵,更是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重中之重,相較于多層建筑結(jié)構(gòu),高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)除了應(yīng)能夠承載上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的豎向力外,尚應(yīng)能夠承擔(dān)水平作用產(chǎn)生的傾覆力矩。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上,埋深是一重要方面,國(guó)家規(guī)范《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2010)對(duì)基礎(chǔ)埋深有非常嚴(yán)格的強(qiáng)制性規(guī)定；另一個(gè)方面就是地基土以及基坑回填土對(duì)基礎(chǔ)的約束作用,這個(gè)在規(guī)范上也有強(qiáng)制性的規(guī)定,因?yàn)樵谟?jì)算中,當(dāng)我們把嵌固端取在基礎(chǔ)頂面時(shí),前提是假設(shè)基礎(chǔ)頂面的位移為零,如果達(dá)不到這個(gè)假設(shè)條件,上部計(jì)算結(jié)果就可能會(huì)存在較大的問(wèn)題,因此,在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),一定要特別提出基坑回填的要求,以滿足對(duì)基礎(chǔ)的約束要求。

2.2 高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1在進(jìn)行高層建筑立面、豎向剖面以及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置時(shí),應(yīng)盡量規(guī)則、對(duì)稱；結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度也應(yīng)盡量均勻變化,抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力不應(yīng)突變。結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)有利于抵抗水平力及豎向荷載,盡量減少扭轉(zhuǎn)的影響。在地震作用下,高層建筑平面應(yīng)保持一定的規(guī)則性。在高層建筑的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi),宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則,剛度和承載力分布均勻。鋼筋混凝土高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑,其平面布置應(yīng)簡(jiǎn)單、規(guī)則,減少偏心。

2.2.2我國(guó)結(jié)構(gòu)規(guī)范用于控制高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指標(biāo)主要有：建筑周期比；位移比；剛度比；層間受剪承載力之比；剪重比；剛重比以及軸壓比等。(1)周期比：周期比是指結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期的比值?？刂平ㄖ芷诒仁菫榱耸菇Y(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件的建筑結(jié)構(gòu)平面布置更趨于理想,使結(jié)構(gòu)不發(fā)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)影響；(2)位移比：位移比是用來(lái)控制建筑結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性的關(guān)鍵指標(biāo),指的是結(jié)構(gòu)樓層豎向構(gòu)件最大水平位移和層間位移與本樓層平均位移值的比值。位移比也反應(yīng)結(jié)構(gòu)是否規(guī)則、對(duì)稱；建筑結(jié)構(gòu)平面內(nèi)剛度分布是否均勻；可以用結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心的相對(duì)位置表示,因?yàn)榻ㄖ傂呐c質(zhì)心位置都無(wú)法直接測(cè)量,規(guī)范則采用了校核結(jié)構(gòu)位移比的方法；(3)剛度比：剛度比是控制建筑結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性的關(guān)鍵指標(biāo),反應(yīng)了結(jié)構(gòu)整體的豎向勻稱性。樓層側(cè)向剛度可取該樓層剪力和該樓層層間位移的比值。在分析樓層是否屬于薄弱層、地下室是否可作為嵌固端等均用層剛度比作為依據(jù)；(4)層間受剪承載力之比：層間受剪承載力之比是用來(lái)反應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性的重要數(shù)據(jù)。層間受剪承載力是指在所考慮的水平地震作用方向上,該層全部柱及剪力墻的受剪承載力之和；(5)剪重比：剪重比是判斷地震作用的指標(biāo),是對(duì)應(yīng)于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力與重力荷載代表值的比值。因?yàn)樵陂L(zhǎng)周期作用下,地震影響系數(shù)下降迅速。對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),地震地面運(yùn)動(dòng)速度和位移可能對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞具有更大的破壞作用,但采用振型分解法時(shí)無(wú)法對(duì)此做出較準(zhǔn)確的計(jì)算。鑒于安全方面的分析,相關(guān)規(guī)范規(guī)定了最小剪重比；(6)軸壓比：建筑結(jié)構(gòu)軸壓比用于控制結(jié)構(gòu)框架柱截面延性性能,指地震組合軸壓力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積的比值?？刂戚S壓比限值是為了使框架柱截面達(dá)到延性破壞狀態(tài),防止小偏心受壓狀態(tài)的脆性破壞,實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

高層建筑結(jié)構(gòu)選型包含豎向承重結(jié)構(gòu)選型、水平承重結(jié)構(gòu)選型以及下部結(jié)構(gòu)選型；結(jié)構(gòu)布置包括結(jié)構(gòu)平面布置、結(jié)構(gòu)豎向布置及變形縫設(shè)置。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)著手,結(jié)構(gòu)平面、立面布置應(yīng)盡量規(guī)則,并應(yīng)優(yōu)先選用抗震和抗風(fēng)性能好的結(jié)構(gòu)體系。