超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性問題研究

劉闖 劉海洋

【摘要】高層與超高層建筑與多層建筑相比體積增大，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此對高層與超高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計是非常必要的，直接影響著建筑物的質(zhì)量。本文對高層及超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了分析，以此提高建筑物的質(zhì)量與功能。

【關(guān)鍵詞】高層建筑;超高層建筑;結(jié)構(gòu)分析

1、高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

1.1建筑物結(jié)構(gòu)的水平荷載，防止地震力以及風(fēng)載對建筑物造成影響。高層建筑與超高層建筑的自重以及樓面的荷載所引起的彎矩及軸力僅僅與建筑物總高度的一次方成正比。而建筑物的水平荷載所產(chǎn)生的力矩與軸力相對較大，與建筑物高度的二次方成正比另外，對于一定高度的建筑來講豎直方向的荷載時一個固定值，而水平方向的荷載，由于受到地震以及風(fēng)荷載的作用，會隨著建筑物的結(jié)構(gòu)特征的不同而發(fā)生較大的變化，可見水平方向的荷載作用力在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性。

1.2建筑結(jié)構(gòu)的軸向變形。在高層以及超高層建筑中，柱體會因為較大的豎向荷載而產(chǎn)生較大的軸向變形，此變形會嚴(yán)重影響到連續(xù)梁的彎矩大小，使得連續(xù)梁的中間支撐位置的負(fù)彎矩值變小，正彎矩值變大，兩端的支撐位置處的負(fù)彎矩值也隨之變大建筑中預(yù)制的構(gòu)件長度要根據(jù)軸向的變形值進(jìn)行調(diào)整與制作，因此建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的軸向變形時，下料的長度會受到嚴(yán)重的影響另外，建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生軸向變形時還會對建筑構(gòu)件的剪力以及側(cè)移值的大小造成影響，使其產(chǎn)生影響到建筑物整體安全的結(jié)果。

1.3失穩(wěn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要控制目標(biāo)。與多層建筑相比，高層與超高層建筑對側(cè)移的大小控制是尤為重要的，是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵之處。建筑物的高度越大，水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)移值會越來越大，對此進(jìn)行控制是尤為重要的，要將側(cè)移值控制在規(guī)定的安全范圍內(nèi)。

1.4對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計。使高層及超高層建筑和多層建筑的結(jié)構(gòu)提高關(guān)鍵部位的抗震能力、變形能力，因此當(dāng)發(fā)生地震或者是風(fēng)荷載作用時發(fā)生變形的情況會更多、更嚴(yán)重。要想提高高層及超高層建筑的變形能力，使其在塑性變形后能力不減，避免在地震中發(fā)生房屋倒塌的現(xiàn)象，必須在對建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，注意對結(jié)構(gòu)延性的設(shè)計，采取相應(yīng)的措施來提高結(jié)構(gòu)的延性，最終達(dá)到提高建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的。

2、高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素

2.1 風(fēng)載荷的影響。對于高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，由于其高層容易受到風(fēng)載荷的影響，尤其是一些超高層建筑，其主要控制的因素就是風(fēng)載荷。大樓設(shè)計過程中，不但參考當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)設(shè)計規(guī)范，而且還要進(jìn)行相關(guān)的風(fēng)洞試驗，以提高建筑的抗風(fēng)載能力。

2.2 地震力的影響。對于地震力的預(yù)測，當(dāng)前的技術(shù)條件存在一定的限制，難以對之進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)算。即使對地震有深入研究的日本，以無法準(zhǔn)確的預(yù)算地震的發(fā)生時間、地點。所以，高層建筑設(shè)計過程中尤其要注意抗地震力的設(shè)計。同時，還需要考慮建筑主樓、裙樓在地震力作用下的不同反應(yīng)。

2.3 地基基礎(chǔ)的影響。對于高層建筑與超高層建筑，地基基礎(chǔ)發(fā)揮了十分重要的作用。在實際的施工過程中藥根據(jù)不同的地基形態(tài)采取穩(wěn)定性強的地基結(jié)構(gòu)。例如，對于深厚的軟地基，高層建筑地基必須選擇使用樁筏基礎(chǔ)或者樁箱基礎(chǔ)。同時，可以根據(jù)實際的地質(zhì)情況采取對應(yīng)的基礎(chǔ)措施：使用深度不大的年輕巖基，通過將現(xiàn)澆混凝土樁基深入巖層中的方式為建筑提供基礎(chǔ)支撐;對于深度較大的巖層，例如在地面100m以下，可以利用巖層上層常見的層狀沖積土，使用框格式的地下連續(xù)墻為建筑提供基礎(chǔ)支撐;對于地下基層條件較好的地層，可以采用筏形基礎(chǔ)即可。

2.4 建筑功能使用需求的影響。所有的建筑都是以滿足其使用功能需要而建設(shè)的，因此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計必須以此條件為基礎(chǔ)，這是一個不能忽視的問題。在設(shè)計過程中，需要考慮到建筑的藝術(shù)性、使用功能需要以及經(jīng)濟性等多個方面的要求。同時，在設(shè)計時還必須保證所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠在既有施工技術(shù)條件下實現(xiàn)，而且保證當(dāng)前的建筑材料必須達(dá)到設(shè)計使用需求，這是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要控制的一個重要因素。

3、高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計策略

3.1 合理減小框架中的柱距與梁距

主要是減小柱距，建筑框架是將梁、柱通過剛性連接的方式組合而成的剛性體系，整個結(jié)構(gòu)體系的抗推剛度受梁、柱截面與數(shù)量的直接影響，通過減小柱距能夠有效的提高整個結(jié)構(gòu)體系的剛度。另外減小粱距，通過增加框架中梁的數(shù)量，不但可以減小框架在載荷作用下的總變形，而且還可以增加柱子在軸力作用下形成的力偶，使得其能夠更好的抵抗結(jié)構(gòu)體系的總力矩。

3.2 充分發(fā)揮梁柱的組合效果

通過簡單的減小柱距、梁距，雖然能夠在一定程度上達(dá)到提高框架體系抗推剛度的目的，但是不能從根本上改善框架的整體效能。這時結(jié)合增加梁、柱數(shù)量的方式，不但能有效增加框架的整體抗推剛度，而且還能夠提高框架的抗風(fēng)載荷能力。

3.3 采用彎一剪雙重結(jié)構(gòu)體系

彎一剪雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，就是指通過采用彎曲型與剪切型兩種不同變形性質(zhì)的構(gòu)件形成一個完整的結(jié)構(gòu)體系。兩種不同類型的構(gòu)建通過在各個不同樓板中聯(lián)系起來進(jìn)行協(xié)同工作，明顯減小了整個建筑結(jié)構(gòu)的頂點位移與下部各樓層的層間位移。在水平力的作用下，單獨的框架整體變形是典型的剪切變形，其上部層間側(cè)移相對較小，而下部的層間側(cè)移則較大。而單獨的剪力墻則是彎曲型變形，其層間側(cè)移為上部大、下部小。

3.4 合理設(shè)置剛臂

對于建筑平面是方形布置的高樓，當(dāng)采用芯筒一框架體系時，因為大部分的側(cè)向力是由芯筒來承擔(dān)的，這使得整棟建筑的側(cè)移曲線基本上是由芯筒的變形直接控制的。在水平載荷的作用下，芯筒以彎曲變形為主。同時，由于芯筒的平面尺寸還受到建筑的豎向服務(wù)性設(shè)施面積影響，直接造成了芯筒的高度與寬度比值較大的問題。為了達(dá)到減小建筑結(jié)構(gòu)側(cè)移的目的，可以在高層建筑中每相隔十來層布置一個設(shè)備層，在其中添加桁架，形成剛臂。這樣將能夠使得芯筒與外圍的框架柱連接為一體，使得結(jié)構(gòu)的外柱也可以參與到結(jié)構(gòu)的整體抗彎體系中，有效的一直了芯筒各個水平截面，尤其是頂部截面的傾斜，有效減少了建筑各個島層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。

4.結(jié)語

在高層與超高層建筑設(shè)計過程中，基于建筑混凝土整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的多項要求，提高建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。除此之外，還必須重視施工過程中的材料選擇控制，還必須考慮施工現(xiàn)場的運輸條件以及養(yǎng)護(hù)作業(yè)技術(shù)水平等，確保施工條件能夠有效的支撐起建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，使得建筑結(jié)構(gòu)體系達(dá)到對應(yīng)的要求。

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