高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及對(duì)策探討

李帥

摘要：鑒于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人們對(duì)高層建筑的需求越來越大，高層建筑如雨后春筍般在各個(gè)城市中涌現(xiàn)，與此同時(shí)，業(yè)主對(duì)建筑的要求越來越高，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員面對(duì)的建筑日益復(fù)雜，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又關(guān)系著建筑的使用安全與使用壽命，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題進(jìn)行復(fù)盤與總結(jié)，為之后的設(shè)計(jì)提供新的方法與思路。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);問題及對(duì)策

1.前言

高層建筑和一般建筑的設(shè)計(jì)不同，豎向與橫向兩個(gè)方向的力需要高層 建筑設(shè)計(jì)時(shí)考慮，比一般建筑承受更大的的荷載。一般來說地震作用和風(fēng) 荷載作用對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響很大，并且由于建筑的層數(shù)逐漸加大，側(cè) 向位移的提高也會(huì)影響居民的生活舒適性和建筑的實(shí)用性。這就需要建筑 設(shè)計(jì)人員在建筑設(shè)計(jì)過程中把側(cè)向位移限制在合理范圍內(nèi)，以達(dá)到建筑實(shí) 用性和舒適感。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層住宅建筑物構(gòu)造有著和普通的建筑物構(gòu)造不同的特性，它同時(shí)承 擔(dān)了較大的橫向荷載和豎向荷載，其橫向荷載主要有建筑外部的風(fēng)荷載和 地震作用產(chǎn)生的，豎向荷載主要是由建筑高度的增加而產(chǎn)生的，而且，大 中型高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)抗震能力也有一定的要求。在一般情況下，中低 層建筑物構(gòu)造所受到的水平荷載比較小，豎向荷載也相對(duì)較小。但是，在 高層建筑中，由于地震作用和風(fēng)荷載作用也會(huì)對(duì)大中型高層建筑形成比較 大的影響，所以它們也是對(duì)高層建筑荷載產(chǎn)生的主要影響。由于高層建筑 的高度增加，高層建筑的橫向荷載會(huì)引起更大的水平位移出現(xiàn)，而較大的 水平位移會(huì)導(dǎo)致建筑物內(nèi)部設(shè)施的損壞，降低建筑物內(nèi)人們的舒適性以及 建筑物的使用年限，所以為了避免這些問題的出現(xiàn)，和建筑物可以正常的 使用且滿足我國(guó)對(duì)地震作用下的抗震要求，應(yīng)該把高層建筑的抗側(cè)剛度控 制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)（剛度過大會(huì)引起更大的地震作用），使建筑物在橫 向荷載的作用下的側(cè)向位移滿足使用要求。因而，可以說，在大中型高層 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其核心內(nèi)容就是抗側(cè)力構(gòu)件的設(shè)計(jì)。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題

3.1 超高問題

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，標(biāo)高是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的問題，因?yàn)楦邔?建筑的標(biāo)高設(shè)計(jì)一定要符合其結(jié)構(gòu)與抗震特點(diǎn)。但就目前情況而言，我國(guó) 缺乏一種明確的、統(tǒng)一的建筑物結(jié)構(gòu)防火、抗震、超高結(jié)合等系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn) 劃分。一般來說，高層建筑是指二十四米高度以上的建筑物，而超高層工 程建筑則是指標(biāo)高度在一百米以上的建筑物。盡管在建筑物標(biāo)高、抗震規(guī) 范等設(shè)計(jì)中，對(duì)高層建筑的高度有明顯的約束，但在工程實(shí)施過程中，由 于建筑物內(nèi)部構(gòu)造形式的變化將引起建筑施工圖的高度變化，結(jié)果產(chǎn)生超 高問題，也就會(huì)影響高層建筑的設(shè)計(jì)進(jìn)度和整體規(guī)劃。

3.2 地基承載力問題

對(duì)高層建筑來說，因?yàn)樗膽?yīng)用范圍很廣，對(duì)空間使用要求也較高，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者很有必要事先根據(jù)大中型高層建筑的空間組成特性，從而 決定大中型高層建筑的具體構(gòu)造。因?yàn)楦邔咏ㄖ闹亓偸窍蛳?，作用?地面，所以在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考察高層建筑的構(gòu)造系統(tǒng)，特別是 向下的受力和地面的承載力之間是否相符合，因?yàn)橐坏┫蛳率芰Τ^了地 基承載能力的范圍，那就表明了該高層建筑的地基受力系統(tǒng)是不平衡的。

3.3 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，在城市化的進(jìn)程中，人們不僅建 筑的布局與外觀有了更高的要求，還對(duì)建筑在地震的作用下的安全提出了 更高的要求，人們希望可以控制地震作用的影響，建筑可以在地震后正常 的使用且對(duì)建筑的損壞減小到最低，故此單一的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)（以生命安全作 為抗震設(shè)防唯一目標(biāo)）已經(jīng)不能滿足人們的要求了。所以在高層建筑結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中抗震問題始終是關(guān)鍵，越來越復(fù)雜的布局和外觀會(huì)使建筑變的更加 復(fù)雜，常規(guī)的抗震方法已經(jīng)不能滿足越來愈高的抗震設(shè)計(jì)要求了。

4.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)策

4.1 合理選擇計(jì)算簡(jiǎn)圖及結(jié)構(gòu)方案

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步就是根據(jù)建筑的受力特性分析，歸納出合 理的且符合實(shí)際的計(jì)算簡(jiǎn)圖，如果計(jì)算簡(jiǎn)圖的選擇不正確，會(huì)引起結(jié)構(gòu)計(jì) 算中參數(shù)的選擇錯(cuò)誤，從而影響結(jié)構(gòu)的正常設(shè)計(jì)，或者造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事故 的發(fā)生，因此選擇合理的計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖是保證高層建筑構(gòu)造安全設(shè)計(jì)的重 要前提。在結(jié)構(gòu)體系選用時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用與計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，也要保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的具體實(shí)施的可行性。另外，在選定結(jié)構(gòu)體系時(shí)不但要考慮外形形狀，更要兼顧結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性和可 行性，設(shè)計(jì)方法也應(yīng)當(dāng)符合建筑構(gòu)件形態(tài)和空間要求的特點(diǎn)。尤其對(duì)結(jié)構(gòu) 體系的傳力體系考察時(shí)，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持傳力體系簡(jiǎn)單、傳力方向明確且均勻的 設(shè)計(jì)原則，以防止部分構(gòu)件受力過于集中在某幾個(gè)構(gòu)件，從而影響建筑物 的整體安全。

4.2 合理設(shè)計(jì)抗風(fēng)結(jié)構(gòu)

（1） 基本布置。建筑物本身穩(wěn)固，上層結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)固安全可靠。因此 建筑物設(shè)計(jì)中要科學(xué)合理選擇抗側(cè)力構(gòu)件的布置，盡量使抗側(cè)立構(gòu)件設(shè)置 在外圍，加大整體的剛度的同時(shí)又有較強(qiáng)的抵抗扭轉(zhuǎn)的剛度，避免扭轉(zhuǎn)過 大的出現(xiàn)，增強(qiáng)建筑物自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。（2）適度加大層建筑物耗能構(gòu) 件尺寸。增加高層結(jié)構(gòu)中的承載構(gòu)件尺寸，如剪力墻、連梁等，相應(yīng)程度 上可抵抗風(fēng)能對(duì)建筑物基本結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性形成不良的負(fù)面影響，使建筑 結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。（3）按照建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，對(duì)大中型建筑物構(gòu) 造的最大承受能力和抗風(fēng)性能進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)，在確認(rèn)強(qiáng)度和抗風(fēng)力后，再 在原始數(shù)據(jù)基本上相應(yīng)增強(qiáng)工程設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提升高層建筑構(gòu)造的最大 承受能力。

4.3 注重抗震設(shè)計(jì)

在進(jìn)行建筑防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須由專門的技術(shù)人員針對(duì)建筑所 在的環(huán)境和抗震結(jié)構(gòu)發(fā)生狀況進(jìn)行針對(duì)性分析，以設(shè)計(jì)出符合現(xiàn)代抗震構(gòu) 造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)施工圖。當(dāng)設(shè)計(jì)師根據(jù)建筑防震墻斷面較長(zhǎng)的情形設(shè)計(jì) 時(shí)，將孔洞相連成為弱連梁，并合理調(diào)節(jié)建筑防震墻的高寬比，使防震墻 所受的應(yīng)力均勻分散，以減少對(duì)防震墻的應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞。在水平受 力下，由于剪力墻易受內(nèi)力影響難以達(dá)到最大截面的設(shè)計(jì)要求，所以，為 優(yōu)化建筑的防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須針對(duì)具體情況降低連梁的強(qiáng)度，以減小對(duì)內(nèi) 部的作用力，從而防止剪力墻出現(xiàn)脆性破壞。目前，復(fù)雜建筑的抗震問題 要通過抗震性能化設(shè)計(jì)來解決，性能化設(shè)計(jì)是根據(jù)計(jì)算分析與工程判斷，找出結(jié)構(gòu)可能的薄弱部位及關(guān)鍵部位，針對(duì)這些部位加強(qiáng)抗震措施，論證 結(jié)構(gòu)可以達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)，性能設(shè)計(jì)就是在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在承載力 與變形能力之間的平衡，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震承載力與變形能力來 抵抗地震作用。

4.4 確定地基承載力

地基承載力是大中型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的關(guān)鍵因素，從建筑結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)之初，就必須對(duì)大中型建筑的承重墻和承重梁的布置和數(shù)量等有一 個(gè)明確的估計(jì)，同時(shí)還必須根據(jù)建筑基礎(chǔ)混凝土特性、建筑地基土的組成 特性，測(cè)算出地基承載能力。把地面的極限強(qiáng)度除以相應(yīng)的安全系數(shù)之后，就得到了地面的允許強(qiáng)度，可以比較建筑結(jié)構(gòu)體系上下的受力，和地面的 允許強(qiáng)度相比的大小，在地基承載力范圍之內(nèi)進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)還 要考慮到基礎(chǔ)的沉降，只有這樣才能保證高層建筑的安全性。

5.結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)來說專業(yè)性更強(qiáng)，綜合性較大，對(duì)建筑工程有 著非常巨大的指導(dǎo)意義。隨著我國(guó)建筑行業(yè)的日益發(fā)達(dá)與進(jìn)步，而大中型 高層建筑也在日新月異的發(fā)展中，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求也愈來愈高。因此本 文以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主線，深入研究并分析了高層建筑結(jié)構(gòu)的主要特 征、基本準(zhǔn)則、以及主要的問題及措施，希望可以引發(fā)人們對(duì)這一問題的 關(guān)注，并能對(duì)實(shí)際高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起到指導(dǎo)作用。

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