試論高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與高層建筑結(jié)構(gòu)體系分析

宋博 張濤

摘要：伴隨經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展，我國(guó)城市化進(jìn)程也在不斷加快，高層建筑成為城市建筑的新寵，因?yàn)楦邔咏ㄖ粌H可以有效的利用土地資源，還能夠提升城市的現(xiàn)代化景觀的整體水平。所以，市政部門在城市規(guī)劃的過(guò)程中需要在充分了解高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，選擇符合城市總體規(guī)劃的高層建筑項(xiàng)目。避免高層建筑在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的基本原則執(zhí)行。本文主要從高層建筑設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、基本原則、結(jié)構(gòu)體系等方面分析。

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

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

（一）水平荷載。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中水平作用是決定因素，因?yàn)楦邔咏ㄖ鄬?duì)于普通建筑而言，需要更強(qiáng)的技術(shù)性和專業(yè)性。因?yàn)楦邔咏ㄖ枰紤]的因素較普通建筑多，如需要考慮建筑自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，它僅與建筑高度的一次方成正比;而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。

（二）結(jié)構(gòu)延伸。在高層建筑的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)過(guò)程中，要在保證高層建筑的足夠承載力的基礎(chǔ)上，注重剛度的加強(qiáng)，以抵抗側(cè)向力。因?yàn)殡S著建筑層級(jí)的增多，每一層建筑都會(huì)在水平力作用下產(chǎn)生的一定的側(cè)向力，從而發(fā)生側(cè)向位移。此外也要注重通過(guò)各種措施減輕建筑自重。因?yàn)闇p輕自重不僅可以更好的做到建筑防震，還能夠減輕對(duì)地基和樁基的壓力，通常情況下采用高強(qiáng)度材料可以有效的實(shí)現(xiàn)高層建筑的自重的減輕。所以，結(jié)構(gòu)延伸是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

（三）側(cè)向位移伴隨樓層設(shè)計(jì)的越來(lái)越高，同時(shí)水平載荷作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)側(cè)移會(huì)隨之不斷增加，最終結(jié)構(gòu)定點(diǎn)處的側(cè)移正比于建筑物高度的四次方。因此為了保障建筑物的安全性，必須做好結(jié)構(gòu)側(cè)移的控制。

（四）軸向變形。隨著建筑物高度的增加，豎向載荷也會(huì)不斷加大，這就可能使柱中產(chǎn)生很大的軸向變形，進(jìn)而對(duì)連續(xù)梁彎矩造成不良影響，連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩會(huì)因此變小，跨中部分的正彎矩值和端支座處的負(fù)彎矩值會(huì)受影響而變大，因此，下料的實(shí)際長(zhǎng)度要將軸向變形的具體數(shù)值考慮在內(nèi)。

二、高層建筑概念設(shè)計(jì)的基本原則

（一）在設(shè)計(jì)高層建筑的過(guò)程中，必須考慮其承載力、延伸性、柔軟性、剛度等指標(biāo)，并且通過(guò)各種細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和維護(hù)方式來(lái)提高高層建筑的承載力和剛度，并增大其延性。

（二）在設(shè)計(jì)高層建筑的結(jié)構(gòu)時(shí)必須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析，減少在施工過(guò)程中的誤差，并且要選擇簡(jiǎn)單直接的計(jì)算方式以便于清楚的展示各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

（三）設(shè)計(jì)過(guò)程中，要重視上部結(jié)構(gòu)與地基之間的相互作用關(guān)系。保證地基基礎(chǔ)的承載力，剛度和有足夠的抗滑移，抗扭動(dòng)能力，使整個(gè)高層建筑成為一個(gè)穩(wěn)定的體系，防止產(chǎn)生過(guò)大的差異沉降和傾覆。

三、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)體系是指高層建筑的所有構(gòu)件以一種什么樣的方式排列，才能更好的抵制外力的侵襲。在一般情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)體系的考察指標(biāo)是抵抗水平力，而具體的結(jié)構(gòu)體系一般有框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系、筒體結(jié)構(gòu)體系等。

（一）框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)體系是指高層建筑中的梁、柱構(gòu)件通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接后，能夠有效的承受荷載。多用于高度相對(duì)較低的高層建筑中，此外還用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中?？蚣荏w系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于建筑平面布置靈活，能獲得大空間，建筑立面也容易處理，結(jié)構(gòu)自重輕，計(jì)算理論也比較成熟，在一定高度范圍內(nèi)造價(jià)較低。但是它也存在抗側(cè)力能力差，在風(fēng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的水平位移，在地震荷載作用下，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞比較嚴(yán)重等缺點(diǎn)。如果進(jìn)行合理的框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)，可以使之具有良好的抗震性能。此外，框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型少，易于標(biāo)準(zhǔn)化、定型化;可以采用預(yù)制構(gòu)件，也易于采用定型模板而做成現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，有時(shí)還可以采用現(xiàn)澆柱及預(yù)制梁板的半現(xiàn)澆半預(yù)制結(jié)構(gòu)。

（二）剪力墻結(jié)構(gòu)體系

在高層建筑中為了提高房屋結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，在其中設(shè)置的鋼筋混凝土墻體稱為“剪力墻”，剪力墻的主要作用在于提高整個(gè)房屋的抗剪強(qiáng)度和剛度，墻體同時(shí)也作為維護(hù)及房間分格構(gòu)件。

剪力墻結(jié)構(gòu)中，由鋼筋混凝土墻體承受全部水平和豎向荷載，剪力墻沿橫向縱向正交布置或沿多軸線斜交布置，它剛度大，空間整體性好，用鋼量省，所以剪力墻在抗震結(jié)構(gòu)中也稱抗震墻。在發(fā)生地震時(shí)剪刀墻結(jié)構(gòu)可以減少傷害，且程度比較輕微。同時(shí)剪力墻結(jié)構(gòu)采用大模板或滑升模板等先進(jìn)方法施工時(shí)，施工速度很快，可節(jié)省大量的砌筑填充墻等工作量。

由于剪力墻結(jié)構(gòu)的墻面較多，所以其墻間距不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致平面布置不靈活，難以滿足公共建筑的使用要求。因此，為了滿足旅館布置門廳、餐廳、會(huì)議室等大面積公共用房的要求，以及在住宅樓底層布置商店和公共設(shè)施的要求，可以將部分底層或部分層取消剪力墻代之以框架，形成框支剪力墻結(jié)構(gòu)。當(dāng)把底層做成框架柱時(shí)，成為框支剪力墻結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系，由于底層柱的剛度小，上部剪力墻的剛度大，形成上下剛度突變，在地震作用下底層柱會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)力及塑性變形，致使結(jié)構(gòu)破壞較重。

（三）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是指在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，可以組成框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力，因而廣泛地應(yīng)用于高層建筑中的辦公樓和旅館由框架和剪力墻組成。此外，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于剪力墻剛度大，剪力墻承擔(dān)大部分水平力，是抗側(cè)力的主體，整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大提高?？蚣軇t承受豎向荷載，提供較大的使用空間，同時(shí)承擔(dān)少部分水平力。還可以把中間部分的剪力墻形成筒體結(jié)構(gòu)，布置在內(nèi)部，外部柱子的布置就可以十分靈活;內(nèi)筒采用滑模施工，外圍的框架柱斷面小、開(kāi)間大、跨度大，很適合現(xiàn)在的建筑設(shè)計(jì)要求。

（四）筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)體系是指由剪力墻構(gòu)成空間薄壁筒體，成為豎向懸臂箱形梁，加密柱子，以增強(qiáng)梁的剛度，也可以形成空間整體受力的框筒，由一個(gè)或多個(gè)筒體為主抵抗水平力。它通常有以下幾種類型：框架—筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、實(shí)腹筒、等。盡管筒體結(jié)構(gòu)體系的種類十分多，但是總的來(lái)說(shuō)其最主要的特點(diǎn)是相同的，是它的空間受力性能，所以不論哪一種筒體結(jié)構(gòu)，在水平力作用下都可看成固定于基礎(chǔ)上的箱形懸壁構(gòu)件，它比單片平面結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)剛度和承載力，并具有良好的抗扭剛度。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，伴隨我國(guó)城市化進(jìn)程不斷的加快，高層建筑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但是在高層建筑設(shè)計(jì)中還存在一些不足之處，所以我們需要熟知高層建筑的功能以及結(jié)構(gòu)上的特殊性，才能靈活設(shè)計(jì)方案并不斷提高結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)水平。

參考文獻(xiàn)：

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[2]林同炎，S.D.思多臺(tái)斯伯利，結(jié)構(gòu)概念和體系，中國(guó)建筑工業(yè)出版社.