高層建筑結(jié)構(gòu)分析與抗震設(shè)計(jì)探究

周曉琳

【摘要】目前，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，我國(guó)的高層建筑的發(fā)展也有了顯著的提高。建筑行業(yè)快速發(fā)展，為適應(yīng)多樣化的建筑功能需求，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式也日趨復(fù)雜多樣。除傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等基本形式外，超高層建筑、復(fù)雜高層建筑、鋼結(jié)構(gòu)高層建筑、型鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)高層建筑得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。建筑高度的增加和布置的不規(guī)則性給結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)更多復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，有必要進(jìn)行更系統(tǒng)深入的研究。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;結(jié)構(gòu)分析;抗震設(shè)計(jì)探究

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

10.040

對(duì)比低層建筑，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，并且會(huì)受到更多因素的影響。為保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，需要考慮建筑體型比例關(guān)系的同時(shí)，對(duì)地基沉降、溫度、風(fēng)力及地震等因素進(jìn)行全面的考慮。另外，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否科學(xué)，對(duì)高層建筑的實(shí)際施工有直接影響，并會(huì)為后期的養(yǎng)護(hù)造成不便。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的難度，如果沒(méi)有妥善處理設(shè)計(jì)中存在的一些常見(jiàn)問(wèn)題，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量將嚴(yán)重降低。據(jù)此，論文在分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了一些優(yōu)化措施，希望可以為改進(jìn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1、高層建筑常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類(lèi)型

1.1框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)以框架梁、柱為主要承受荷載和地震作用構(gòu)件。梁、柱等構(gòu)件自重輕、易于標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)定形，因此框架結(jié)構(gòu)具有節(jié)省材料、空間布置靈活、便于實(shí)施裝配式等優(yōu)點(diǎn)。框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較小，水平地震作用下易產(chǎn)生較大層間位移，因此最大適用高度受到較大限制，以抗震設(shè)防烈度6度為例，一般不得超過(guò)60m?？蚣芙Y(jié)構(gòu)變形形態(tài)是典型的剪切型，結(jié)構(gòu)豎向體型布置時(shí)，重點(diǎn)需要控制層間側(cè)向剛度比和受剪承載力比，避免出現(xiàn)軟弱層和薄弱層。

1.2剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)以剪力墻為抗側(cè)力構(gòu)件，具有整體性好、側(cè)向剛度大等特點(diǎn)，能適用較高的建筑高度。但是結(jié)構(gòu)延性較差，與框架結(jié)構(gòu)相比，空間布置受剪力墻最大間距的限制。剪力墻布置宜使結(jié)構(gòu)規(guī)則、均勻、具有適宜性的側(cè)向剛度，平面上宜雙向布置使兩個(gè)主軸方向剛度均勻分布，豎向宜上下連續(xù)避免造成剛度突變。另外，由于疊合錯(cuò)洞墻的應(yīng)力分布復(fù)雜，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免門(mén)窗洞口上下錯(cuò)開(kāi)，確實(shí)無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)特別注意洞口周?chē)氖芰Ψ治鲇?jì)算和加強(qiáng)措施。

1.3框架剪力墻結(jié)構(gòu)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)兼具框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，既具有較大的側(cè)向剛度，又能較靈活自由地提供使用空間，最大適用高度一般略低于剪力墻結(jié)構(gòu)?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是通過(guò)框架和剪力墻協(xié)同工作，使整體結(jié)構(gòu)具有良好的結(jié)構(gòu)和抗震性能。在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)框架部分和剪力墻部分承受地震傾覆力矩比值，應(yīng)分別符合各自結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震措施要求，且需要充分考慮框架與剪力墻在剛度、變形特點(diǎn)上的較大差別，選擇合適位置設(shè)置剪力墻，使結(jié)構(gòu)整體剛度均勻、連續(xù)，構(gòu)成雙向抗側(cè)力體系。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題

2.1扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

建筑“三心”主要指建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、結(jié)構(gòu)重心及剛度中心，“三心合一”時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最強(qiáng)。然而由于受到地基形狀與建筑功能要求等因素的影響，在許多情況下，建筑體型是不規(guī)則的，設(shè)計(jì)中也難以實(shí)現(xiàn)“三心合一”，致使建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，進(jìn)而影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2抗風(fēng)問(wèn)題

因?yàn)楦邔咏ㄖ臉菍虞^多并且高度較高，所以，相對(duì)其他建筑，高層建筑更容易改變風(fēng)的流動(dòng)性與空氣的動(dòng)力效應(yīng)。由于建筑的剛架結(jié)構(gòu)以及玻璃幕墻等柔性結(jié)構(gòu)的剛度較小，在風(fēng)荷載較大的情況下，很容易破壞建筑物的墻體、裝飾結(jié)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)，降低建筑物的穩(wěn)定性。因此，進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，防止建筑物受自然因素的影響而存在隱患。

2.3抗震問(wèn)題

高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直以來(lái)都是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)。因?yàn)榈卣饘儆谧匀灰蛩兀總€(gè)地區(qū)的抗震設(shè)防烈度不同，計(jì)算得出的數(shù)據(jù)也并不是所有地區(qū)都適用，并且計(jì)算地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，存在許多不確定性因素，加之一些設(shè)計(jì)人員的靈活性不足，不能很好地完善抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3、解決對(duì)策

3.1強(qiáng)化設(shè)計(jì)圖紙規(guī)范性

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的作用不容小覷，可為后期建筑工程項(xiàng)目的施工建設(shè)提供必要參考。為此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，應(yīng)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)圖紙的設(shè)計(jì)規(guī)范化與合理化，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量達(dá)標(biāo)，以免引發(fā)設(shè)計(jì)質(zhì)量問(wèn)題。另外，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)圖紙的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循具體規(guī)范要求，參考項(xiàng)目建設(shè)具體狀況，將圖紙中不同類(lèi)型的符號(hào)和數(shù)據(jù)等相關(guān)參數(shù)詳細(xì)標(biāo)識(shí)出來(lái)，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)。作為設(shè)計(jì)工作人員應(yīng)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的作用，在設(shè)計(jì)前了解項(xiàng)目具體情況，系統(tǒng)勘察項(xiàng)目場(chǎng)地環(huán)境與水文條件等相關(guān)資料，以保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙資料更全面更可靠，不應(yīng)僅依靠個(gè)人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定材料與結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，以免影響圖紙質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，完成設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作后，設(shè)計(jì)工作人員應(yīng)嚴(yán)格校核圖紙準(zhǔn)確性，對(duì)設(shè)計(jì)圖紙不合理問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正，以免出現(xiàn)不必要設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3.2建筑結(jié)構(gòu)的平面布置

建筑結(jié)構(gòu)的平面布置是影響結(jié)構(gòu)抗震的重要因素，合理的建筑平面布置對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。大量地震災(zāi)害表明，平面布置簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)規(guī)則、質(zhì)量和剛度分布比較均勻并且具有明確傳力途徑的建筑結(jié)構(gòu)在地震時(shí)不容易發(fā)生破壞。規(guī)則結(jié)構(gòu)能較為準(zhǔn)確地預(yù)估結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)和地震時(shí)的反應(yīng)，較容易采取有效的抗震措施及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施來(lái)加強(qiáng)其抗震性能。相反，平面布置復(fù)雜、不對(duì)稱(chēng)且不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，其地震作用效應(yīng)很難估計(jì)的。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)中規(guī)范規(guī)定，宜采用規(guī)則結(jié)構(gòu)，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

3.3最大化保證建筑材料的抗震性與質(zhì)量

高層建筑的材料選擇與材料質(zhì)量很大程度上決定了高層建筑建成以后的質(zhì)量與安全性，所以說(shuō)在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，一定需要對(duì)建筑施工材料的選擇做出慎重的選擇，一定要結(jié)合實(shí)際情況以及科學(xué)分析，設(shè)計(jì)人員們?cè)趯?duì)整體抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要將建筑材料本身的強(qiáng)度質(zhì)量以及抗震性作為重中之重，確保選擇的材料是可以為高層建筑提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與抗震性的，最大化的提升高層建筑的抗震承載力，也需要盡可能選擇滿(mǎn)足施工材料的延性需求，保證所選擇的材料都是能夠滿(mǎn)足高層建筑抗震穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求，從材料這個(gè)角度根本上提升高層建筑的安全性與抗震性，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)本身的最大抗震特性，所以說(shuō)為了更好地達(dá)到房屋抗震與安全要求，設(shè)計(jì)人員和建筑人員務(wù)必需要選擇符合要求的建筑材料，確保在高層建筑建成以后有足夠的抗震性。

3.4準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，為保證結(jié)構(gòu)與工程要求標(biāo)準(zhǔn)契合，應(yīng)在準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)比實(shí)際要求，亦或是根據(jù)要求參數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)性能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化。以樓板設(shè)計(jì)為例，為避免設(shè)計(jì)與后期施工建設(shè)不發(fā)生形變和裂縫，應(yīng)科學(xué)計(jì)算結(jié)構(gòu)形變的范圍。在計(jì)算數(shù)據(jù)的時(shí)候，工作人員應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求與規(guī)范開(kāi)展，堅(jiān)決不允許受主觀(guān)意識(shí)影響判斷，也不應(yīng)簡(jiǎn)化處理計(jì)算數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)：

高層建筑是現(xiàn)代化城市發(fā)展的主要載體之一，成為諸多城市的地標(biāo)性建筑。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加劇，為滿(mǎn)足人們對(duì)建筑美觀(guān)、舒適等多樣化需求，圍繞高層建筑的理論研究、分析設(shè)計(jì)和建造實(shí)踐正在不斷發(fā)展完善。高層建筑的結(jié)構(gòu)理論分析和設(shè)計(jì)實(shí)踐在目前相對(duì)成熟的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，還有很多方面值得深入研究和創(chuàng)新發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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