關(guān)于高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合分析

王維凱

摘 要：針對(duì)目前城市中越來(lái)越多的高層建筑，在簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本步驟的基礎(chǔ)上，對(duì)高層建筑抗震設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)中需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行綜合分析，旨在為實(shí)際的設(shè)計(jì)工作提供可靠依據(jù)，保證設(shè)計(jì)的合理性與可行性。

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

如今，城市中的高層建筑數(shù)量越來(lái)越多，人們對(duì)高層建筑的安全重視度隨之提升，這無(wú)疑對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求。設(shè)計(jì)是否合理在很大程度上決定了施工能否順利完成，并影響工程的質(zhì)量、安全和成本，因此需要對(duì)其進(jìn)行綜合分析與探討。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本步驟分析

1.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

對(duì)高層建筑基礎(chǔ)做綜合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮建筑所在地區(qū)地形和地質(zhì)條件，此外還應(yīng)結(jié)合荷載實(shí)際分布情況、上部結(jié)構(gòu)主要類(lèi)型、附近既有建筑造成的影響及現(xiàn)有的施工條件，以此確定技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)合理的方案。實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)對(duì)地基潛力進(jìn)行充分挖掘，在必要的情況下通過(guò)計(jì)算確定地基的變形。當(dāng)進(jìn)入基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段時(shí)，說(shuō)明區(qū)域場(chǎng)地地質(zhì)勘察資料已經(jīng)形成，若沒(méi)有相應(yīng)的地質(zhì)報(bào)告，需進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查看，當(dāng)然周?chē)扔薪ㄖ诨A(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中形成的資料可作為本工程的參考[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

最終采用的結(jié)構(gòu)方案應(yīng)是最合理且最經(jīng)濟(jì)的。對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，除了要明確結(jié)構(gòu)的受力，還要盡可能為傳力提供方便，在同一結(jié)構(gòu)單元當(dāng)中盡量避免使用不同體系。基于此，在設(shè)計(jì)中要對(duì)設(shè)計(jì)基本要求、實(shí)際施工狀況和原材料實(shí)際供應(yīng)進(jìn)行綜合考慮，并做好和其它專(zhuān)業(yè)的聯(lián)系與溝通，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇奠定良好基礎(chǔ)，形成最佳設(shè)計(jì)方案。

1.3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的所有計(jì)算都需要將計(jì)算簡(jiǎn)圖作為核心，如果設(shè)計(jì)過(guò)程中所用計(jì)算簡(jiǎn)圖缺乏合理性，將產(chǎn)生安全問(wèn)題。對(duì)此，計(jì)算簡(jiǎn)圖必須具有良好合理性與適用性，這是從根本上保證安全，避免安全問(wèn)題發(fā)生的關(guān)鍵?？紤]到結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)并非單純剛結(jié)，故計(jì)算簡(jiǎn)圖應(yīng)得到構(gòu)造措施的保證，但要注意將誤差限制在允許的范圍之內(nèi)[2]。

1.4 分析計(jì)算

就目前而言，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，但設(shè)計(jì)軟件的類(lèi)型有很多，不同類(lèi)型的軟件采用不同的算法，可能得出的結(jié)果完全不同。在這種情況下，對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，若在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)所用程序與結(jié)構(gòu)具體情況不相符，或在參數(shù)輸入過(guò)程中有人為錯(cuò)誤，則需要立即查明原因并予以糾正，從而保證結(jié)果真實(shí)性與準(zhǔn)確性，為后續(xù)設(shè)計(jì)與判斷提供可靠參考依據(jù)。

1.5 構(gòu)造方法

設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)構(gòu)件延性引起高度重視，并關(guān)注所有薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)鋼筋錨固端長(zhǎng)度需要引起設(shè)計(jì)人員的重視，特別是直線(xiàn)段長(zhǎng)度，同時(shí)溫度應(yīng)力也會(huì)對(duì)其造成一定程度的影響，同樣需要得到重視。另外，對(duì)平面與立面進(jìn)行布置時(shí)，應(yīng)保持規(guī)范、對(duì)稱(chēng)及均勻，盡可能減少薄弱環(huán)節(jié)，在必要的情況下還應(yīng)在極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算[3]。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

2.1 地震作用分析

從震源處傳遞出的地震波，如果地基比較軟弱，將會(huì)得到明顯的增強(qiáng)，同時(shí)當(dāng)建筑的高度較高時(shí)，固有周期將明顯變長(zhǎng)，而且搖動(dòng)力也會(huì)減小，但靠近頂層的樓層，其加速度具有明顯變大的趨勢(shì)。在這種情況下，可確定建筑所受地震作用，可采用不同樓層在水平方向上的力進(jìn)行綜合評(píng)估。

2.2 抗震因素配置

建筑所受地震作用具體方向并不是固定的，若將建筑看做一個(gè)二維框架，則能更好的掌握力的實(shí)際傳遞過(guò)程。和地震作用方向保持平行的建筑框架，主要承擔(dān)水平方向上的力;而每個(gè)樓層上的墻柱則根據(jù)其剛度比例來(lái)承受豎直方向上的力。

2.3 地震變形抵抗

為結(jié)構(gòu)體系施加一定水平方向上的力以后，如果這一作用力大于結(jié)構(gòu)彈性極限，則將產(chǎn)生很大的變形。這就要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量確保地震作用處于彈性極限范圍內(nèi)，即便在大震條件也不超過(guò)它的最大強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)大震不倒的目標(biāo)[4]。

2.4 建筑平面剛性平衡

如果建筑平面上的抗震因素分布不平衡，將在受到地震作用后產(chǎn)生一定扭力回轉(zhuǎn)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，此時(shí)對(duì)于剛度較差的部分將產(chǎn)生極大變形，甚至導(dǎo)致破壞。因地震作用是典型的慣性力，所以其作用中心需要和重心保持一致。在建筑平面上保持平衡就是指使抗震因素剛度中心和重心完全一致。對(duì)于平面剛性保持一致的高層建筑，若發(fā)生一定向后的退縮，將因?yàn)闃菍又匦牟辉僦睾隙邪l(fā)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)[5]。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1 對(duì)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)予以正確認(rèn)識(shí)

對(duì)高層建筑而言，它類(lèi)似于豎向分布的懸臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到垂直方向上的荷載后，會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定軸向力，它和建筑的高度一般保持線(xiàn)性關(guān)系;而水平方向上的荷載會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定彎矩。在結(jié)構(gòu)受力特性方面，對(duì)于垂直方向上的荷載，其方向保持不變，在建筑的不同高度上荷載不同;而對(duì)于水平方向上的荷載，可能從不同的方向產(chǎn)生，如果均布荷載，則彎矩將和高度為線(xiàn)性關(guān)系。在結(jié)構(gòu)的側(cè)移特性方面，一般情況下豎向荷載不會(huì)產(chǎn)生太大的側(cè)移，但水平荷載會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯側(cè)移，如果為均布荷載，則側(cè)移將和建筑的高度為線(xiàn)性關(guān)系?？梢?jiàn)，水平荷載造成的影響比垂直荷載大很多，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要將水平荷載作為主要控制因素，對(duì)結(jié)構(gòu)而言，它為了抵抗這一荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力、彎矩及剪力，不僅要有足夠強(qiáng)度，而且還應(yīng)滿(mǎn)足剛度要求，以此將因高度增加而引起的變形有效控制在允許的范圍之內(nèi)[6]。

3.2 選擇正確合理的建筑結(jié)構(gòu)體系

因高層建筑結(jié)構(gòu)中抗水平方向上的力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要矛盾所在，所以應(yīng)采用合理的抗側(cè)力措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全。目前常用的幾種結(jié)構(gòu)體系，如框架、框剪和純剪等，它們的受力特征與抵抗水平方向上作用力的能力均有所不同，尤其是在抗震性能上往往有著明顯的差異，所以要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理的選擇。

3.3 保證結(jié)構(gòu)體系抗震性能

考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)受力和其它建筑有很大不同，所以當(dāng)在地震區(qū)對(duì)高層建筑實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)在滿(mǎn)足基本剛度與強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，保證抗震性能。經(jīng)科學(xué)與系統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)，可以使高層建筑實(shí)現(xiàn)大震不倒、中震可修與小震不壞的目標(biāo)。從結(jié)構(gòu)的角度講，應(yīng)有足夠塑性變形能力，以此吸收地震發(fā)生后產(chǎn)生的巨大能量，從而削弱地震造成的破壞。

3.4 扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

針對(duì)高層建筑的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，首先需要提到建筑的三心，建筑三心是指幾何的形心、剛度的中心與結(jié)構(gòu)的重心，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)使三心重合。扭轉(zhuǎn)問(wèn)題實(shí)際上就是因?yàn)槿臎](méi)有重合引起的，此時(shí)結(jié)構(gòu)受到水平方向上的荷載將產(chǎn)生一定扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。為了防止建筑由于扭轉(zhuǎn)而被破壞，需要在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中確定適宜的結(jié)構(gòu)形式，做好平面布局，保證三心重合。結(jié)構(gòu)受到水平方向的荷載后，扭轉(zhuǎn)大小將受到質(zhì)量分布的影響及控制。為了確保水平方向上的作用盡可能均勻分布，避免或減小扭轉(zhuǎn)，在選擇建筑平面時(shí)，應(yīng)盡量以簡(jiǎn)單平面形式為主。然而，實(shí)際情況中很難滿(mǎn)足以上要求，采用一些較為復(fù)雜的平面，如T字形與十字形等，在這種情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要將凸出處厚度和寬度之比限制在允許范圍以?xún)?nèi)，并在實(shí)際的平面布置過(guò)程中確保結(jié)構(gòu)處在完全的對(duì)稱(chēng)狀態(tài)下，實(shí)踐表明，這樣是可以有效減小扭矩的。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其它普通建筑有很大的不同，這不僅源于對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，還和結(jié)構(gòu)實(shí)際受力等因素有關(guān)。因此在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須充分考慮高層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際受力特點(diǎn)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定及要求切實(shí)做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)的合理性與可行性。

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