試析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)選型

周德孫

桂林市建筑設(shè)計研究院 廣西桂林 541002

在我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)的背景下，高層建筑具有占地面積小、空間利用充分、降低拆卸費(fèi)用和施工費(fèi)用等優(yōu)勢，在各大城市得到了大力推廣和應(yīng)用。但和多層建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)計難度更大，需要綜合考慮多方面內(nèi)容，才能保證設(shè)計質(zhì)量。只有在設(shè)計階段就做好結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型設(shè)計，才能為后期施工建設(shè)提供必要的參考和指導(dǎo)，避免發(fā)生無故浪費(fèi)和不合理的損失。基于此，開展高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)選型的分析研究就顯得尤為必要。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 受到水平荷載的影響比較大

多層建筑的材料用量、工程造價、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案等都由豎向荷載決定，而高層建筑則不同，高層建筑具有很高的高寬比，水平荷載形成的側(cè)移、內(nèi)力也都比較大，是確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、材料用量、工程造價的主要因素。高層建筑的高度越大，則側(cè)移量、內(nèi)力也就越大。

1.2 結(jié)構(gòu)整體性要求高

高層建筑結(jié)構(gòu)整體性比較高是有各層樓板共同作用的結(jié)果，樓板的特性決定了在自身平面內(nèi)剛度非常大，變形系數(shù)比較小。因此，對高層建筑結(jié)構(gòu)而言，樓板通常情況下在平面內(nèi)只有剛體位移，并不會改變具體形狀，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可直接忽略樓板平面之外的剛度。這也是高層建筑每個樓層的抗側(cè)力都會受到樓板剛體位移制約的主要原因。

1.3 構(gòu)件多種變形影響大

在多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中只需考慮構(gòu)件的彎曲變形即可，無需考慮各構(gòu)件的軸向變形和剪切變形發(fā)生。但對高層建筑結(jié)構(gòu)而言，層數(shù)比較多，高度達(dá)，具有很大的軸力，高度越大軸軸向變形就越明顯。中部構(gòu)件和邊部、角部構(gòu)件的軸向變形差距非常明顯，對高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力均勻分配造成的影響也比較大，在具體設(shè)計中必須綜合考慮軸向變形的影響情況。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

高層建筑結(jié)構(gòu)種類繁多，其中框架式剪力墻結(jié)構(gòu)是最常用的一種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計方法也比較多，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，衍生出了很多新型計算方法。其中應(yīng)用最廣泛，深受高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計單位青睞的設(shè)計計算方法要數(shù)連續(xù)假定法，比如：在進(jìn)行位移協(xié)調(diào)設(shè)計中，需要明確剪力墻結(jié)構(gòu)的實際水平位移和轉(zhuǎn)角情況，以便進(jìn)行有效設(shè)計。其求解方法就是高層建筑結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)負(fù)載之間的關(guān)系方程，但在具體設(shè)計中，其影響因素和內(nèi)在需求等指標(biāo)有一定差距，需要結(jié)合實際情況開展有針對性設(shè)計分析，以保證高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。

2.2 剪力墻體系設(shè)計

對高層建筑的剪力墻而言，需要按照剪力墻的受力情況和變形情況，在剪力墻合適的位置設(shè)計開洞數(shù)量、開洞規(guī)格、開洞尺寸等。此外，剪力墻的單片受力特性存在明顯差異，按照差異的不同，分為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和特殊開洞剪力墻結(jié)構(gòu)兩種。剪力墻結(jié)構(gòu)不同，其截面所具有的應(yīng)力、負(fù)荷也不相同[1]。因此，在進(jìn)行剪力墻內(nèi)應(yīng)力和位移設(shè)計中，需要采取不同的計算方法和設(shè)計方法。通常情況下，只需采用平面限單元法就能滿足高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，并且此種設(shè)計方法的準(zhǔn)確性比較高，可滿足多種類型剪力墻體系設(shè)計的要求。

2.3 筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計

筒體結(jié)構(gòu)也是高層建筑常用的結(jié)構(gòu)形式之一，在具體設(shè)計中，筒體結(jié)構(gòu)計算模型的處理方法不同，筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計方法也不相同，常用的設(shè)計方法有：連續(xù)分析法、分散分析法、三維空間分析法，三者相比三維空間分析法具有更高的設(shè)計準(zhǔn)確性，而設(shè)計過程直觀、清晰可見，能夠?qū)崿F(xiàn)可視化設(shè)計，是目前高層建筑筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計中比較常用的方法。

2.4 結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

抗震設(shè)計是任何高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重，我國很多地區(qū)都處于地震多發(fā)帶，而且高層建筑高度大，在地震狀態(tài)下，對高層建筑結(jié)構(gòu)造成的影響好為破壞也非常嚴(yán)重。為提升高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性，滿足功能使用要求，就必須對高層建筑的彈性、塑性、變形能力等進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析研究[2]。全面我國抗震性的各項指標(biāo)和規(guī)范，都是立足我國地質(zhì)條件和地震多發(fā)帶設(shè)計而來的，基本上能夠滿足高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對內(nèi)應(yīng)力和位移條件的需求，在設(shè)計中必須嚴(yán)格按照當(dāng)?shù)氐卣鹨?guī)范的要求合理設(shè)計，以提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震性和安全性。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計要點(diǎn)

3.1 豎向承重結(jié)構(gòu)選型

在進(jìn)行高層建筑豎向承重結(jié)構(gòu)選型中，需要先考慮高層建筑的實際高度和使用用途，不同結(jié)構(gòu)體系有其獨(dú)特的強(qiáng)度和剛度，適用的高度也不相同。通常情況下，框架結(jié)構(gòu)體系適用于高度低、層數(shù)少、地震設(shè)防烈度低的高層建筑豎向承重結(jié)構(gòu)設(shè)計中?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)則可以適用于大多數(shù)高層建筑高度的要求。層數(shù)比較多，且對地震設(shè)防烈度高的高層建筑可選擇筒體豎向承重結(jié)構(gòu)。

3.2 水平承重結(jié)構(gòu)選擇

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，水平承重結(jié)構(gòu)體系包括：平板式結(jié)構(gòu)體系、無梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系、密肋樓蓋結(jié)構(gòu)體系、肋形樓蓋結(jié)構(gòu)體系。其中平板體系應(yīng)用最多，經(jīng)常應(yīng)用在剪力墻結(jié)構(gòu)和筒體結(jié)構(gòu)體系中，其最大的優(yōu)點(diǎn)是板底平整度比較，可不增加吊頂，設(shè)計出來的高層建筑結(jié)構(gòu)高度比較低，可適當(dāng)降低層高[3]。但如果跨度比較大時，僅憑平板結(jié)構(gòu)無法滿足要求，通常情況下，非預(yù)應(yīng)力平板不應(yīng)超過6m，預(yù)應(yīng)力平臺則不應(yīng)超過9m，如果厚度過大，會增加樓面重量，不利于高層建筑穩(wěn)定性的提升。

4 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合理論實踐，分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)選型，分析結(jié)果表明，和傳統(tǒng)多層建筑相比，高層建筑能夠有效緩減城市住房壓力，節(jié)約城市空間和土地。但同時也帶來了嚴(yán)重的安全隱患，結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)選型對高層建筑有很大影響，直接關(guān)系到高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此，在具體設(shè)計中需要結(jié)合實際情況，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系和類型，以滿足高層建筑結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定性、安全性、抗震性要求。