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

何帥

廣西建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 廣西南寧 530011

高層建筑和多層建筑相比，具有占地面積小，可重復(fù)利用空間，拆遷費(fèi)用小，工程費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，能夠很好的緩解城市住房壓力，在各國(guó)各大城市中得到了良好發(fā)展。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的綜合性和技術(shù)性，需要考慮很多方面，否則不但會(huì)影響造成巨大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，也不利于保證高層建筑的安全性和抗震性。因此，在設(shè)計(jì)階段，必須切實(shí)做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型，以保證高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。

1 工程概述

某建筑工程，共30層，建筑面積為2.67萬(wàn)㎡，無(wú)地下室，為多功能數(shù)字化辦公樓，層高大于住宅建筑達(dá)到3.3m，結(jié)構(gòu)高度為99m，，總體結(jié)構(gòu)在平面上呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的“井”字分布。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照案例工程結(jié)構(gòu)布置、穩(wěn)定性、安全性、抗震性的要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可選擇兩種設(shè)計(jì)方案，一種是框筒結(jié)構(gòu)體系，另一種是剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

方案一，框筒結(jié)構(gòu)體系方案。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在高層建筑結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮抵抗水平和豎向方向荷載的能力，結(jié)構(gòu)不易太復(fù)雜，以簡(jiǎn)單明了為主，以提升抗震性，降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)體系造成的損害。方案一的具體設(shè)計(jì)形式為平面對(duì)稱(chēng)的設(shè)置框架，并保證梁和柱的中心線(xiàn)能夠相互重合，此種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)是便于力量傳導(dǎo)，能夠大幅度降低重心不穩(wěn)造成的不良影響?？蛲步Y(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)框架和筒體同時(shí)承受荷載力，其中筒體結(jié)構(gòu)中剪力墻總的抗彎剛度是結(jié)構(gòu)中所有剪力墻抗彎剛度的總和，這就決定了，此種設(shè)計(jì)方案整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)彎型的懸梁。

方案二，剪力墻結(jié)構(gòu)體系。和框筒結(jié)構(gòu)體系相比，剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有更強(qiáng)的抗震能力，而且剪力墻之間的距離，是按照建筑平面的總體布局結(jié)構(gòu)來(lái)確定的。如果剪力墻設(shè)計(jì)距離過(guò)小，就無(wú)法充分發(fā)揮出材料的強(qiáng)度，會(huì)引起地震反應(yīng)過(guò)大問(wèn)題。而且結(jié)構(gòu)自重也會(huì)明顯增大。本工程為30層的多功能數(shù)字化辦公樓，有較大的辦公室和會(huì)議室，為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，剪力墻的間距控制在6-8m之間，此種設(shè)計(jì)方法，能夠最大限度發(fā)揮出建筑墻體的承載力，而且具有良好技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效果[1]。

通過(guò)結(jié)構(gòu)案例工程的特點(diǎn)和用途，對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，兩種結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案各有優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)三維模擬分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方案二中剪力墻的軸壓比要低于方案一的軸壓比，會(huì)降低混凝土和鋼筋的利用率，不但會(huì)增加建設(shè)成本，而且也會(huì)增加高層建筑的自重。通過(guò)對(duì)比分析兩種設(shè)計(jì)方案。在結(jié)構(gòu)受力分析，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，兩種結(jié)構(gòu)體系都能滿(mǎn)足工程要求，但從經(jīng)濟(jì)效果上來(lái)看，對(duì)30層高層建筑建筑而言，選擇框筒結(jié)構(gòu)體系最為合理。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)選型要點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)選型是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，需要綜合考慮很多因素，影響條件和因素也比較多。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要考慮工程造價(jià)和投資能力，更要考慮結(jié)構(gòu)選型對(duì)建設(shè)功能的適應(yīng)性，并結(jié)合工程所在區(qū)域的地形地貌，選擇出更加契合當(dāng)?shù)匚幕吞厣母邔咏ㄖY(jié)構(gòu)造型[2]。

3.1 豎向承重結(jié)構(gòu)選型

在高層建筑豎向承重結(jié)構(gòu)選型中，需要綜合考慮高層建筑的高度、用途等，且不同的結(jié)構(gòu)體系，其剛度、強(qiáng)度也不相同，適應(yīng)的高度也不相同。比如：框架結(jié)構(gòu)比較適用于高度小，層數(shù)少，地震設(shè)防烈度低的高層建筑?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)能夠更好的滿(mǎn)足高度大，自重大的高層建筑工程；而筒體結(jié)構(gòu)則比較適用于層數(shù)多、設(shè)防烈度高的高層建筑。

3.2 水平承重結(jié)構(gòu)的選型

對(duì)高層建筑而言，水平承重結(jié)構(gòu)的主要作用有兩個(gè)方面，其一是提升整體穩(wěn)定性，其二是傳遞水平力。常用的水平承重結(jié)構(gòu)型式有四種，包括：平板體系、無(wú)梁樓蓋、密肋樓蓋、肋型樓蓋。其中平板體系為簡(jiǎn)單的單向板或者雙向板，通常應(yīng)用在剪力墻結(jié)構(gòu)或者筒體結(jié)構(gòu)中，具有板底平整度高，可不加吊頂，結(jié)構(gòu)高度低等優(yōu)勢(shì)。但如果跨度比較大，則平板體現(xiàn)很難實(shí)現(xiàn)[3]。多數(shù)情況下，非預(yù)應(yīng)力平板結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度不超過(guò)6m，預(yù)應(yīng)力平板也不超過(guò)9m。

3.3 下部結(jié)構(gòu)選型

下部結(jié)構(gòu)是高層建筑的主要組成部分，其主要作用是將上部結(jié)構(gòu)傳遞來(lái)的荷載，有效傳遞給地基。因此，下部結(jié)構(gòu)選型是否科學(xué)合理，直接關(guān)系到整座高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性，而且對(duì)工程造價(jià)、工期等方面也有較大影響。常用的下部結(jié)構(gòu)有以下幾種：

第一種，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。此種下部結(jié)構(gòu)比較適用于層數(shù)少，土質(zhì)好的框架結(jié)構(gòu)。如果地基為巖石，則可以通過(guò)錨桿，將基礎(chǔ)錨固到巖石上，但要保證錨入巖石的長(zhǎng)度不能小于錨桿直徑的40倍。

第二種，交叉梁基礎(chǔ)。也就是雙向條形基礎(chǔ)，適用于層數(shù)不多，土質(zhì)條件一般的框架結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)。本工程就選擇了此種結(jié)構(gòu)型式。

第三種，笩形基礎(chǔ)。適用于土層為軟弱土層的建筑工程結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)中。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文采用工程實(shí)例結(jié)合理論實(shí)踐的方法，分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型，分析結(jié)果表明，高層建筑具有很多優(yōu)勢(shì)，是目前最為主流的建筑形式之一。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高層建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其設(shè)計(jì)效果，直接關(guān)系到高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，需要結(jié)合高層建筑的特點(diǎn)、用途、功能等，選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并做好結(jié)構(gòu)選型，才能滿(mǎn)足使用的要求。