民用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計初探

陳權(quán)明

摘? ? 要：高層建筑結(jié)構(gòu)的承載能力、側(cè)移剛度、抗震性能、材料使用和造價高低，與其采用結(jié)構(gòu)體系有著密切關(guān)系。本文基于此對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響因素進行了研究。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;影響因素

1? 引言

在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，水平力是控制的主要因素，在地震區(qū)水平力是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的決定因素。剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、周期短、地震作用大，在設(shè)計中應(yīng)注意調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度。近年來出現(xiàn)了一系列新的結(jié)構(gòu)體系，其中有巨型框架結(jié)構(gòu)、巨型桁架結(jié)構(gòu)、懸掛和懸挑結(jié)構(gòu)。目前采用這些結(jié)構(gòu)體系的工程尚較少，經(jīng)驗不多，對于這些結(jié)構(gòu)的研究也不夠深入、成熟，尚不能普遍推廣于設(shè)計與施工中。

2? 水平作用是設(shè)計的主要因素

任何建筑結(jié)構(gòu)都要抵抗豎向荷載和水平荷載，在低層和多層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，往往是以重力為代表的豎向荷載起控制作用，對于高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重要作用，但起控制作用的是水平荷載。之所以如此，其根本原因在于側(cè)移和內(nèi)力隨高度的增加而迅速增長，例如一根懸臂桿件，在豎向荷載作用下，產(chǎn)生的軸力僅與高度成線性比例，但在水平荷載作用下，其彎矩與高增加。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，抗側(cè)力的設(shè)計是關(guān)鍵，水平荷載是決定因素，對于一定高度的建筑物，作為其水平荷載的風荷載和地震作用將隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有顯著的變化。

3? 側(cè)移成為控制指標

與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向變形迅速增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移與高度呈現(xiàn)四次方關(guān)系上升。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，還要求具有足夠的抗倒移剛度，以保證結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下所產(chǎn)生的側(cè)移限制在一定范圍內(nèi)，側(cè)移是高層建筑的要害問題，之所以要控制結(jié)構(gòu)側(cè)移，其主要原因有：

（1）側(cè)移過大，使建筑物內(nèi)的人在心理上產(chǎn)生不適應(yīng)，控制結(jié)構(gòu)側(cè)移是保證建筑物正常使用的需要。

（2）側(cè)移過大，使建筑物內(nèi)的填充墻、建筑裝飾和電梯軌道等服務(wù)設(shè)施產(chǎn)生裂縫、變形，甚至損壞。

（3）側(cè)移過大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂或損壞，進而危及結(jié)構(gòu)正常使用和耐久性，實際上控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫就是限制結(jié)構(gòu)側(cè)移。

（4）地震對建筑物的破壞程度，主要取決于結(jié)構(gòu)側(cè)移大小，如果結(jié)構(gòu)變形能力不足以抵御地震輸入能量對結(jié)構(gòu)變形的要求，結(jié)構(gòu)則會發(fā)生倒塌。

4? 軸向變形不容忽視

任何建筑結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的位移都包括彎曲、軸向變形和剪切變形三部分。在低層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常只考慮彎曲變形，而忽略軸向變形和剪切變形的影響，因為一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件的軸力和剪力產(chǎn)生影響較小，可不考慮，而高層建筑由于層數(shù)多、軸力大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會對高層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生很大影響。此外，高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻的截面也往往很大，因此，剪切變形的影響不可忽略。

采用框架體系和框架——剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸向壓力往往大于邊柱的軸向壓力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種差異軸向變形將會達到較大的數(shù)值，其后果相當于連續(xù)梁的中間支座產(chǎn)生沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。故在高層建筑設(shè)計中，軸向變形不能不考慮。

在高層建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算中，根據(jù)所選計算手段，所計算的構(gòu)件變形因素是有區(qū)別的。對于簡化助手計算方法，一般只計算最基本的變形，采用計算機方法計算時，計算的變形因素要多一些。

當用空間協(xié)同工作方法時，考慮了梁的彎曲、剪切變形，考慮了柱、剪力墻的彎曲、剪切和軸向變形;當用完全的三維空間分析方法時，除考慮了前面全部變形外，還增加了梁、柱、剪力墻的扭轉(zhuǎn)變形，以及剪力墻墻體截面的翹曲變形。

5? 概念設(shè)計與理論計算同等重要

概念設(shè)計是指一些難以做出精確力學(xué)分析或在規(guī)范中難以具體規(guī)定的問題，必須由工程師運用“概念”進行分析，做出判斷，以便采取相應(yīng)措施。概念設(shè)計帶有一定經(jīng)驗性。高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計計算是在一定假定條件下進行的，盡管分析的手段不斷提高，分析的原理不斷完善，但是由于地震作用的復(fù)雜性和不確定性，地基土影響的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致理論分析計算和實際情況相差數(shù)倍之多，尤其是當結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段之后，會出現(xiàn)構(gòu)件的局部開裂，甚至破壞，這時結(jié)構(gòu)就很難用常規(guī)的計算原理去進行內(nèi)力分析。實踐表明，在設(shè)計中把握好高層建筑的概念設(shè)計，從整體上提高建筑的抗震能力，消除結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計算和結(jié)構(gòu)措施，才能設(shè)計出具有良好抗震性能的高層建筑。將注重概念設(shè)計作為高層建筑結(jié)構(gòu)的最高原則提出，其主要內(nèi)容為：

（1）應(yīng)特別重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性（包括平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性）。

（2）合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系包括：①明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑;②避免因部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失承受重力、風載和地震作用的能力;③結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的承載能力和良好的變形能力，從而形成良好的耗能能力。

（3）采取必要的抗震措施提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。

6? 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和傾覆問題

6.1? 整體穩(wěn)定

建筑物在豎向荷載作用下，由于構(gòu)件的壓屈，可能造成整體失穩(wěn)。我國國內(nèi)高層建筑層數(shù)大多在40 層以下，剛度很大，整體穩(wěn)定一般不存在問題，當高寬比H/B>5 時，應(yīng)驗算其整體穩(wěn)定性。

6.2? 傾覆問題

高層建筑由于總高度值很大，基底面積小，在水平荷裁和水平地震作用下，產(chǎn)生很大的傾覆力矩，如果傾覆力矩超過穩(wěn)定力矩，則建筑物將會發(fā)生傾覆，此方面地層災(zāi)害實例也已證實，在抗傾覆驗算中，傾覆力矩按風荷載或地震作用計算其設(shè)計值，計算穩(wěn)定力矩時，樓面活載取50%，恒載取90%，要求抗傾覆的穩(wěn)定力矩不小于傾覆力矩設(shè)計值，對于高度超過150m 的高層建筑應(yīng)進行整體穩(wěn)定性及抗傾覆驗算。

7? ?減輕高層建筑自重比多層建筑更重要

減輕高層建筑的自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣的地基或樁基情況下，減輕房屋自重意味著在不增加基礎(chǔ)的造價和處理措施的前提下，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層上可能具有突出的經(jīng)濟效益。地震效應(yīng)與建筑的自重成正比，減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效辦法。高層建筑的質(zhì)量大了，不僅作用于結(jié)構(gòu)上的地層剪力大，還由于重心高、地震作用傾覆力矩大，對豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力，也造成很大的附加彎矩。

8? 抗震設(shè)計要求更高

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防設(shè)計時，要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載，還必須使建筑結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。計算結(jié)構(gòu)的延性是困難的，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性是通過一系列的構(gòu)造措施實現(xiàn)的。在高層建筑設(shè)計中，為使結(jié)構(gòu)具有良好的延性，構(gòu)件要有足夠大的截面尺寸，柱的軸壓比、梁和剪力墻的剪壓比、構(gòu)件的配筋率都要適宜，應(yīng)遵照規(guī)范、規(guī)程的要求。

9? 總結(jié)

高層建筑的高度和數(shù)量，從一個側(cè)面反映一個國家科學(xué)技術(shù)水平和經(jīng)濟發(fā)展程度，但對于高層建筑亦應(yīng)適當控制，即要與原有建筑相協(xié)調(diào)，還要與城市歷史特點相協(xié)調(diào)。

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