對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究

吳昊

摘 要：隨著我國國民經(jīng)濟不斷發(fā)展和人民生活的迅速提高。業(yè)主及建筑師的創(chuàng)新藝術(shù)使得鋼筋混凝土高層建筑發(fā)展被廣泛應(yīng)用。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計給工程設(shè)計人員提出了更高的要求，本文就結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的幾方面問題進行探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計

1高層建筑結(jié)構(gòu)受力方面

對于一個建筑物的最初的方案設(shè)計，建筑師考慮更多的是它的空問組成特點，而不是詳細地確定它的具體結(jié)構(gòu)。

建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設(shè)計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，所以，在建筑設(shè)計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。

對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加。豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計的控制因素，其原因有兩個：其一，較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒;其二，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。

與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的效應(yīng)不是線性增加的，而隨建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應(yīng)更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異。

2結(jié)構(gòu)選型階段

對于高層結(jié)構(gòu)而言，在工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)選型階段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該注意以下幾點：

2.1結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。

新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件。

2.2結(jié)構(gòu)的超高問題。

在抗震規(guī)范與高規(guī)中。對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為a級高度的建筑外，增加了b級高度的建筑，因此。必須對結(jié)構(gòu)的該項控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為b級高度建筑甚或超過了b級高度，其設(shè)計方法和處理措施將有較大的變化。

在實際工程設(shè)計中，出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題。導(dǎo)致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設(shè)計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。

2.3嵌固端的設(shè)置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面。

2.4短肢剪力墻的設(shè)置問題。在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為5-8的墻定義為短肢剪力墻。且根據(jù)實驗資料和實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制，因此，在高層建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設(shè)計工作增加不必要的麻煩。

3地基與基礎(chǔ)設(shè)計方面

地基與基礎(chǔ)設(shè)計一直是結(jié)構(gòu)工程師比較重視的方面，不僅僅由于該階段設(shè)計過程的好與壞將直接影響后期設(shè)計工作的進行，同時，也是因為地基基礎(chǔ)也是整個工程造價的決定性因素，因此，在這一階段，所出現(xiàn)的問題也有可能更加嚴(yán)重甚至造成無法估量的損失。

在地基基礎(chǔ)設(shè)計中要注意地方性規(guī)范的重要性問題。由于我國占地面積較廣，地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，作為國家標(biāo)準(zhǔn)，僅僅一本《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》無法對全國各地的地基基礎(chǔ)都進行詳細的描述和規(guī)定，因此，作為建立在國家標(biāo)準(zhǔn)之下的地方標(biāo)準(zhǔn)。

地方性的“地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范”能夠?qū)⒏鞯胤降牡鼗A(chǔ)類型和設(shè)計處理方法等一些成熟的經(jīng)驗描述和規(guī)定得更為詳細和準(zhǔn)確，所以，在進行地基基礎(chǔ)設(shè)計時，一定要對地方規(guī)范進行深入地學(xué)習(xí)，以避免對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計或后期設(shè)計工作造成較大的影響。

4結(jié)構(gòu)計算與分析方面

在結(jié)構(gòu)計算與分析階段，如何準(zhǔn)確，高效地對工程進行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進行設(shè)計和處理，是決定工程設(shè)計質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。由于新規(guī)范的推出對結(jié)構(gòu)整體計算和分析部分相當(dāng)多的內(nèi)容進行了調(diào)整和改進，因此，結(jié)構(gòu)工程師也應(yīng)該相當(dāng)?shù)貙@一階段比較常見的問題有一個清晰的認識。

4.1結(jié)構(gòu)整體計算的軟件選擇。目前比較通用的計算軟件有：satwe、tat、tbsa或etabs、sap等，但是，由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異，因此導(dǎo)致了各軟件的計算結(jié)果有或大或小的不同。所以，在進行工程整體結(jié)構(gòu)計算和分析時必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件，并從不同軟件相差較大的計算結(jié)果中，判斷哪個是合理的、哪個是可以作為參考的，哪個又是意義不大的，這將是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計工作中首要的工作。否則，如果選擇了不合適的計算軟件，不但會浪費大量的時間和精力，而且有可能使結(jié)構(gòu)有不安全的隱患存在。

4.2是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對自振周期的影響。

該部分內(nèi)容實際上在新老規(guī)范中都有提及，只是，在新規(guī)范中根據(jù)大量工程的實測周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計算自振周期折減系數(shù)。

4.3振型數(shù)目是否足夠。

在新規(guī)范中增加一個振型參與系數(shù)的概念，并明確提出了該參數(shù)的限值。由于在舊規(guī)范設(shè)計中，并未提出振型參與系數(shù)的概念，或即使有該概念，該參數(shù)的限值也未必一定符合新規(guī)范的要求，因此，在計算分析階段必須對計算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進行判斷，并決定是否要調(diào)整振型數(shù)目的取值。

4.4多塔之間各地震周期的互相干擾，是否需要分開計算。一段時間以來，大底盤，多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn)，而在計算分析該類型高層建筑時，是將結(jié)構(gòu)作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開進行計算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問題。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求，但是對某一座塔樓的地震力計算誤差仍然有可能較大，從而便結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。

4.5非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算與設(shè)計。在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對這部分內(nèi)容，尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進行設(shè)計時，由于高層建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大。因此，必須嚴(yán)格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算處理措施進行設(shè)計。

結(jié)束語

總之，鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個長期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過程，任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設(shè)計過程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計結(jié)果存在不安全因素。以上也只是筆者在設(shè)計過程中對問題一些淺薄的認識。

參考文獻：

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