淺談高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳強(qiáng)

摘 要：高層建筑的出現(xiàn)不僅改變了城市的建筑風(fēng)格和人們的生活方式，而且在一定程度上反映了科學(xué)技術(shù)水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。高層建筑與多層建筑相比有著自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，而高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)著十分重要的位置，如何設(shè)計(jì)出既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn);基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度也在增大。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否是高層建筑能否實(shí)現(xiàn)社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的前提?；A(chǔ)設(shè)計(jì)在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要的位置。合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)既能夠保證高層建筑的安全性、穩(wěn)定性，又能夠節(jié)約建設(shè)成本。

1 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 水平載荷成為設(shè)計(jì)的決定性因素

隨著高層建筑的高度越高，結(jié)構(gòu)所承受的豎向荷載和水平荷載也越大。豎向荷載引起的軸力和彎矩?cái)?shù)值與建筑高度的一次方成正比，而由水平荷載引起的結(jié)構(gòu)傾覆力矩以及由此在豎向構(gòu)件中引起的軸力卻與建筑高度的二次方成正比。高層建筑所受的水平荷載主要是風(fēng)荷載和地震荷載，在其高度一定的情況下，建筑的豎向荷載引起的內(nèi)力基本上恒定的，但在風(fēng)荷載和地震荷載作用下引起的內(nèi)力卻是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有著較大的變化。由此可見，對(duì)于高層建筑而言，其所受的水平荷載起著決定性的作用。

1.2 抗震延性設(shè)計(jì)應(yīng)予以重視

高層建筑因其自身的結(jié)構(gòu)特性和重要性，除了要考慮正常使用時(shí)的荷載，還要確保其自身具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。高層建筑的抗震性能主要由其延性決定。延性就是指混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠的塑性變形能力。良好的延性結(jié)構(gòu)能有效地消耗地震力并降低結(jié)構(gòu)剛度，使得結(jié)構(gòu)受到的地震力作用變小，并能夠有效防止脆性破壞的發(fā)生，使得結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性和可靠性。

1.3 水平側(cè)向位移是控制指標(biāo)

高層建筑因其高度較高，水平側(cè)向位移是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的控制指標(biāo)。建筑高度越高，在水平荷載作用下產(chǎn)生的側(cè)向位移就越大。側(cè)向位移會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，對(duì)于豎向構(gòu)件而言，側(cè)向位移越大帶來(lái)偏心加劇，由此產(chǎn)生的附加內(nèi)力超過(guò)一定限值時(shí)會(huì)導(dǎo)致剪力墻、框架柱等豎向構(gòu)件開裂破壞，嚴(yán)重的會(huì)引起房屋倒塌;側(cè)向位移過(guò)大還會(huì)使填充墻、建筑裝飾等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞，電梯軌道變形造成不能正常使用;另外較大的側(cè)向位移還會(huì)引起住戶的不適和恐慌，譬如風(fēng)荷載作用下高層建筑的水平振動(dòng)過(guò)大會(huì)使人感到不安。

1.4 重視軸向變形的影響

與多層建筑計(jì)算內(nèi)力和位移時(shí)只考慮彎曲變形相比，高層建筑因?yàn)閷訑?shù)多，高度大，其所受的軸力也很大。較大的軸力使得高層結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件沿著高度方向有著明顯的軸向變形。尤其對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)，其不同豎向構(gòu)件間的軸向變形差會(huì)使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力的大小和分布產(chǎn)生明顯變化，因此必須對(duì)高層建筑尤其是超高層建筑的軸向變形進(jìn)行專門的研究和分析。

2 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

2.1 主體抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置的均勻性和對(duì)稱性

（1）結(jié)構(gòu)對(duì)稱性是指主體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件平面布置是對(duì)稱的?，F(xiàn)在許多建筑方案為了追求奇特的造型，其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性較差，設(shè)計(jì)成類似于L形、T形和S形等不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其將在水平力的作用下產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，這既削弱了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，也不利于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（例如，填充墻和幕墻）的正常工作。因此，對(duì)于不規(guī)則的建筑平面，應(yīng)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置，例如合理布置核心筒和剪力墻位置，調(diào)整建筑的剛度，使其剛心盡可能靠近建筑物的質(zhì)心，減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形的不利影響。

（2）結(jié)構(gòu)的均勻性是指主體結(jié)構(gòu)的剛度和變形特性在主軸的兩個(gè)方向上接近。主體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件截面和組成應(yīng)在垂直方向上均勻地變化，盡量減少突變。樓層剛度的突變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，引發(fā)軟弱層的出現(xiàn)。某個(gè)構(gòu)件剛度過(guò)大導(dǎo)致的應(yīng)力集中，會(huì)使其首先發(fā)生破壞，其后連鎖反應(yīng)，形成各個(gè)擊破的局面，無(wú)法發(fā)揮結(jié)構(gòu)體系的整體協(xié)調(diào)性作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)協(xié)調(diào)布置中部核心和周圍的剪力墻，使其剛度分布均勻。這樣的主體結(jié)構(gòu)才具有良好的抗扭剛度，不會(huì)發(fā)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)變形，有利于控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位周期比和位移比。

2.2 荷載傳遞要直接

豎向荷載的傳力路徑是通過(guò)樓蓋結(jié)構(gòu)將豎向荷載傳遞至墻、柱等豎向構(gòu)件，再由豎向構(gòu)件傳遞至基礎(chǔ)，再由基礎(chǔ)傳遞至地基。豎向構(gòu)件宜盡量貫通連續(xù)，減少變化或變化緩慢且均勻，減少豎向構(gòu)件間的壓應(yīng)力二次傳遞。樓蓋結(jié)構(gòu)布置應(yīng)盡量使豎向荷載以最短路徑傳至墻、柱等豎向構(gòu)件。除此之外樓蓋結(jié)構(gòu)還起到協(xié)調(diào)各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)工作的作用，應(yīng)使其具有足夠的承載力、剛度和整體性。

3 高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 重視地基條件對(duì)基礎(chǔ)受力狀況的影響

地基土的分布和壓縮性會(huì)影響基礎(chǔ)的受力情況。如果地基土的壓縮性較大，且其壓縮性分布還不均勻，就會(huì)使得基礎(chǔ)的受力情況差異較大。因此根據(jù)地勘報(bào)告提供的場(chǎng)地地質(zhì)條件，合理地設(shè)計(jì)基礎(chǔ)形式就顯得尤為重要。

3.2 確保上部荷載能有效可靠的傳遞到地基

在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證其具有足夠的強(qiáng)度和剛度能承受上部建筑的荷載，并能將其有效地傳遞到地基土或者樁基上。

3.3 重視基礎(chǔ)剛度對(duì)地基反力的影響

對(duì)于上部結(jié)構(gòu)剛度可忽略不計(jì)的完全柔性基礎(chǔ)，其抗彎剛度為零，對(duì)荷載的傳遞沒有擴(kuò)散作用，荷載直接作用在地基土上，基底反力分布與其受到的荷載分布完全一致，基礎(chǔ)中不產(chǎn)生彎矩和剪力。在均布荷載作用下，基礎(chǔ)沉降形式是中間大兩邊小，呈盆形;為了使基礎(chǔ)均勻沉降，有必要調(diào)整荷載，加大兩側(cè)荷載減小中間荷載，使荷載分布不均勻。絕對(duì)剛性基礎(chǔ)的抗彎剛度無(wú)限大，無(wú)論上部結(jié)構(gòu)剛度的大小和荷載如何分布，基礎(chǔ)受力沉降后仍保持為一個(gè)平面。實(shí)際工程中，基礎(chǔ)的剛度是有限的，因此其地基反力的分布介于絕對(duì)剛性基礎(chǔ)和絕對(duì)柔性基礎(chǔ)之間。地基反力的分布大致可分為三種：第一，若基礎(chǔ)面積足夠大，有一定的埋置深度，荷載不大，基礎(chǔ)仍處于線性變形階段，則地基反力分布基本為馬鞍形;第二，對(duì)于基礎(chǔ)埋深不深或所受荷載較大的砂土上的小型基礎(chǔ)，由于基礎(chǔ)邊緣附近的地基土產(chǎn)生塑性變形，形成塑性區(qū)，隨著塑性區(qū)域逐漸擴(kuò)大，基礎(chǔ)邊緣的地基土反力向基礎(chǔ)中部轉(zhuǎn)移，使得基礎(chǔ)中部的地基反力增大，最后呈拋物線形;第三，當(dāng)上部荷載非常大，接近地基所能承受的極限荷載，此時(shí)地基反力更加向基礎(chǔ)的中部集中而變成鐘形。因此合理選取基礎(chǔ)形式，布置基礎(chǔ)剛度，對(duì)于協(xié)調(diào)地基反力的分布和基礎(chǔ)沉降有重要的作用。

3.4 考慮上部結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響

有效地利用上部結(jié)構(gòu)剛度可以使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的尺寸得到優(yōu)化，譬如使得筏板基礎(chǔ)和箱型基礎(chǔ)的厚度減小，樁筏基礎(chǔ)的樁基數(shù)量減少。充分考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的共同作用可以達(dá)到減小基礎(chǔ)內(nèi)力和沉降，降低基礎(chǔ)造價(jià)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

高層建筑逐漸成為城市的主要建筑形式，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注高層建筑的質(zhì)量。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的一個(gè)前提條件。隨著高層建筑結(jié)構(gòu)形式不斷的豐富和發(fā)展，了解和掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，合理的選擇高層建筑的基礎(chǔ)形式對(duì)于確保高層建筑結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性完美地結(jié)合具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]寧成伍.論概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（34）：257+438.

[2]劉倩倩.高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建材與裝飾，2018（40）：88-89.

[3]李玲.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)探析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017（1）.

[4]王艷.高層建筑結(jié)的概念設(shè)計(jì)[J].科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2006（1）.