關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵性問題的探討

陳仁勇

【摘要】高層建筑的房屋高度和結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展是和科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、材料科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)的，隨著城市形象和土地使用要求以及我國對(duì)高層建筑關(guān)鍵性技術(shù)的控制能力，高層建筑已十分常見，使得高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題逐漸引起人們的重視。隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，高層建筑逐漸成為現(xiàn)代建筑的主角，人們?cè)诟邔咏ㄖO(shè)計(jì)方面需要做出巨大的思考和突破，研究高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在的問題，并將問題盡快解決是關(guān)鍵。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就變得尤為重要，因?yàn)槠渲苯佑绊懼邔咏ㄖ锏馁|(zhì)量、使用和經(jīng)濟(jì)性問題。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);關(guān)鍵性問題

近年來，隨著我國城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高層建筑的建設(shè)數(shù)量不斷增多，結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜，很多新型的設(shè)計(jì)方案以迅猛的速度呈現(xiàn)在城市的建設(shè)之中，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中既要適應(yīng)市場(chǎng)需求，又要滿足規(guī)范要求，還要進(jìn)行必要的抗震設(shè)計(jì)，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越成為設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)工作，在這種形式下，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得極其重要。

1、高層建筑結(jié)構(gòu)的特征

高層建筑有著不同于多層或單層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特點(diǎn)，這對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著直接影響。高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、層數(shù)多，建造材料種類繁多，且使用時(shí)多為人員集中場(chǎng)所，加上內(nèi)部系統(tǒng)復(fù)雜，使得高層建筑的結(jié)構(gòu)安全成為重點(diǎn)。我國高層建筑目前多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，就結(jié)構(gòu)體系而言一般分為四種，框架結(jié)構(gòu)體系高層建筑，采用柱、梁和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)成基本框架，在此基礎(chǔ)上完成建設(shè)，該結(jié)構(gòu)空間設(shè)計(jì)靈活，但抗側(cè)能力較差;剪力墻結(jié)構(gòu)體系高層建筑，該結(jié)構(gòu)由于采用混凝土剪力墻，增加了建筑抗剪強(qiáng)度和剛度，但建造相對(duì)復(fù)雜;框架剪力墻高層建筑，該結(jié)構(gòu)是當(dāng)前高層建筑最常用的結(jié)構(gòu)形式，其包含了上述兩種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)，避免了單一結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。就此功能而言，對(duì)于不同的高層建筑，使用功能也會(huì)有很大不同，有住宅高層、商用高層以及商住一體高層，建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)各不相同，如何選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保障建設(shè)施工，成為高層建筑建設(shè)的重中之重。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題

2.1設(shè)計(jì)中計(jì)算簡(jiǎn)圖使用問題

在高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，存在計(jì)算簡(jiǎn)圖不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。高層建筑的建筑高度很高，相比多層建筑需要進(jìn)行更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)與計(jì)算，結(jié)構(gòu)本身需要承受更多的荷載，但是在部分高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)建筑物承受的外力計(jì)算不準(zhǔn)確，不能合理地將各種外力影響因素進(jìn)行分析、計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖與實(shí)際建筑物的結(jié)構(gòu)體系有偏差，造成整體建筑物的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果有誤，影響高層建筑物的施工和使用安全。

2.2嵌固端設(shè)置

嵌固端對(duì)于保障高層建筑的穩(wěn)定性有至關(guān)重要的作用，嵌固端的設(shè)置符合規(guī)定并滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是非常必要的。但在實(shí)際的高層建筑設(shè)計(jì)施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)嵌固端位置設(shè)置不合理、嵌固端連接處強(qiáng)度和抗震能力不達(dá)標(biāo)的問題，使得嵌固端結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到威脅，另外，我國很多高層建筑的嵌固端多設(shè)計(jì)在人防層頂部，由于對(duì)剛度設(shè)計(jì)比等設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算誤差關(guān)注度不高，會(huì)使得嵌固部位下部和基礎(chǔ)之間的框架結(jié)構(gòu)體系的承載力和側(cè)向剛度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，使得嵌固端抵抗上部框架結(jié)構(gòu)在嵌固部位產(chǎn)生的嵌固端彎矩、剪力和軸力的作用明顯降低，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生隱患。再者，高層建筑各嵌固端之間的協(xié)調(diào)性也是保障嵌固端發(fā)揮作用的要素，但在設(shè)計(jì)階段對(duì)嵌固端協(xié)調(diào)影響因素考慮的不全，嵌固端整體設(shè)計(jì)程度不夠，自然影響嵌固端作用發(fā)揮。

2.3設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題

高層建筑物的高度決定了其在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部、外部會(huì)受到多種因素的影響，尤其是質(zhì)量中心、剛度中心和幾何中心很難保持在一個(gè)統(tǒng)一的位置，造成了高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，風(fēng)荷載的影響，也是造成高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的常見問題，在設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮各種因素，改善當(dāng)前設(shè)計(jì)中的不準(zhǔn)確、不合理現(xiàn)象，真正提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題探討

3.1高層建筑的超高引起的建筑高寬比問題探討

隨著我國建筑物高度的不斷增加，高度超限問題是目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍存在的問題，通常高層建筑由于建筑場(chǎng)地及建筑功能的限制，建筑平面尺寸一般不大，這就使得建筑的高度和寬度的比成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的重要指標(biāo)和控制性因素。主要控制指標(biāo)建筑位移與建筑寬度的三次方成反比，與建筑高度的四次方成正比，底部傾覆力矩是建筑高度的二次方，所以增加建筑寬度，減少建筑高度，控制高寬比對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性的提高是非常有利的。當(dāng)建筑高寬比無法改變的情況下，當(dāng)高寬比不大于2時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)為剪切變形，此時(shí)建議增加剪力墻抗側(cè)構(gòu)件的作用;當(dāng)高寬比為2～5時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)為彎剪變形，此時(shí)建議平衡框架和剪力墻之間的比例，適當(dāng)加大外圍框架的作用;當(dāng)高寬比大于5時(shí)，結(jié)構(gòu)為彎曲變形，此時(shí)需要增加外圍框架的剛度，通過外圍框架剪切變形來協(xié)調(diào)剪力墻彎曲變形頂部位移大所帶來的影響。

3.2有效地利用計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算簡(jiǎn)圖是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及科學(xué)計(jì)算原理方法完成的具有指導(dǎo)性的圖紙，將構(gòu)件及支撐按結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)化，用點(diǎn)、線描述構(gòu)件受力情況和穩(wěn)定狀況的圖形。建設(shè)過程中涉及到的建筑高度、大部分建筑構(gòu)件尺寸、材料用量等都需要有定量的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)，定量的數(shù)據(jù)則是需要科學(xué)的計(jì)算方法來計(jì)算的。而計(jì)算相關(guān)的內(nèi)容，需要有效地選擇、利用計(jì)算簡(jiǎn)圖，保證相關(guān)的計(jì)算模型，或者計(jì)算簡(jiǎn)圖與工程實(shí)際情況相符。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)雜，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要素非常多，對(duì)于建筑的抗震參數(shù)和荷載承受力等參數(shù)有著嚴(yán)格的要求，這使得高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算成為一項(xiàng)大工程，對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖的利用也受到多種要素的相互影響，只有在計(jì)算人員具備足夠完備的專業(yè)知識(shí)，并正確使用計(jì)算簡(jiǎn)圖的情況下，才能全方位、立體化地確保計(jì)算流程及數(shù)據(jù)結(jié)果的精度，使得計(jì)算簡(jiǎn)圖成為高層建筑設(shè)計(jì)的有效工具。

3.3高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題

在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)中，最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)就是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題，這是因?yàn)楦邔咏ㄖ锼艿降母鞣N各樣的荷載都需要通過基礎(chǔ)后再傳至到地基，即基礎(chǔ)起到一個(gè)“承上啟下”的作用。高層建筑的特點(diǎn)是層數(shù)較多，上部載荷較為集中并且較大，因此基礎(chǔ)必須埋置足夠的深度，其埋置深度必須要滿足于地基穩(wěn)定和變形的相關(guān)要求，這樣做才能提高建筑物的抗震性能，防止建筑物出現(xiàn)坍塌、傾斜的情況。

結(jié)語：

隨著我國綜合國力的強(qiáng)盛與城市的快速發(fā)展，人們對(duì)于建筑的質(zhì)量，尤其是代表時(shí)代發(fā)展的高層建筑提出了更新且更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)于建筑行業(yè)的工程師來說，他們必須對(duì)自己有更高的要求，從思想上與時(shí)俱進(jìn)、推陳出新，但要在合乎規(guī)范與科學(xué)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新與發(fā)展，在實(shí)踐的過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，用積累的經(jīng)驗(yàn)為后續(xù)的工作與創(chuàng)新鋪墊，不斷提高自身的專業(yè)素養(yǎng)與設(shè)計(jì)建設(shè)水平。我們有充分的理由相信，我們國家的工程師會(huì)在今后的高層建筑的設(shè)計(jì)與建設(shè)中發(fā)揮更大的能量，為推進(jìn)我國高層建筑使用的耐久性、安全性與美觀做出更大的貢獻(xiàn)。

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