淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

摘要：隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，其在建筑結(jié)構(gòu)上，越來越追求高層建筑。而高層建筑在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，在設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法上都有嚴(yán)格的要求。進(jìn)而，在對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮大樓的用途和功能進(jìn)行全面的設(shè)和規(guī)劃。本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從不同角度對(duì)加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)分析

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工是進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則。一個(gè)優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往是這五個(gè)方面的最佳結(jié)合。完美的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是在努力追求這五個(gè)方面的最佳結(jié)合的過程中產(chǎn)生的，適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員最終努力的目標(biāo)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳體現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般在建筑設(shè)計(jì)之后，“受制”于建筑設(shè)計(jì)，但又“反制”于建筑設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能破壞建筑設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足、實(shí)現(xiàn)各種建筑要求;建筑設(shè)計(jì)不能超出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力范圍，不能超出安全、經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定建筑設(shè)計(jì)能否實(shí)現(xiàn)，從這個(gè)意義上講，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得更為重要，雖然一棟標(biāo)志性建筑物建成后，人們只知道建筑師的名字，但一個(gè)適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是工程師們的驕傲和成就。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)

建筑結(jié)構(gòu)所受的外力（作用）主要來自垂直方向和水平方向。在低、多層建筑中，由于結(jié)構(gòu)層數(shù)少、平面尺寸較大，其高寬比很小，且結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載和地震影響也很小，故結(jié)構(gòu)以抵抗豎向荷載為主。也就是說，豎向荷載往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。在高層建筑中，首先，在豎向荷載作用下，各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的框架柱軸力為：邊柱N=wlH/2h，中柱N=wlH/h，即框架柱的軸力和建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)成正比;邊柱軸力比中柱小，基本上與其受荷面積成正比。就是說，由各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的累積效應(yīng)很大，建筑物層數(shù)越多，底層柱軸力越大;頂、底層柱軸力差異越大;中柱、邊柱軸力差異也越大。

其次，在水平荷載作用下，作為整體受力分析，如果將高層建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一根豎向懸臂梁，那么由其底部產(chǎn)生的傾復(fù)彎矩為：水平均布荷載Mmax=qH2/2，倒三角形水平荷載Mmax=Qh3/3，即結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生的傾復(fù)彎矩與樓層總高度的平方成正比。就是說，建筑結(jié)構(gòu)的高度越大，由水平作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩就越大，較豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的累積效應(yīng)增加越快，其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力占總結(jié)構(gòu)內(nèi)力的比重越大，從而成為高層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要控制因素。

高層建筑結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件有剪力墻、框架柱、梁和樓板。剪力墻、框架柱是豎向構(gòu)件，它們是形成結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度的最主要構(gòu)件，承擔(dān)著整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向荷載和絕大部分水平荷載;框架梁、樓板是水平構(gòu)件，結(jié)構(gòu)各樓層的豎向荷載通過樓板傳至框架梁再傳給豎向構(gòu)件，同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度也有貢獻(xiàn)頗的框架梁，還和豎向構(gòu)件一起承擔(dān)整個(gè)結(jié)構(gòu)的荷載水平荷載;次外，有些高層建筑結(jié)構(gòu)還有斜向構(gòu)件，它們對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度貢獻(xiàn)很大，對(duì)構(gòu)件之間的傳力起著重要作用，除自重外，一般不直接受荷。

結(jié)構(gòu)在水平陣風(fēng)作用下，當(dāng)振動(dòng)加速度α超過0.015G時(shí)會(huì)使人的正常生活受影響，因?yàn)榧铀俣圈?A（2πf），當(dāng)頻率f為定值時(shí)，α與振幅A成正比，因此結(jié)構(gòu)的側(cè)移幅值的大小要受限制。過大的側(cè)移易使隔墻、圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及高級(jí)裝修受損，地震或陣風(fēng)引起的過大變形也會(huì)造成電梯軌道無法使用。結(jié)構(gòu)過大的變形會(huì)引起結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)，造成結(jié)構(gòu)桿件產(chǎn)生附加內(nèi)力，影響結(jié)構(gòu)承載力。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)的消防安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，比較的注重其結(jié)構(gòu)風(fēng)格和美觀上的設(shè)計(jì)。進(jìn)而，其樓層結(jié)構(gòu)需要使用到大量的高分子的現(xiàn)代材料，尤其是墻體的裝飾物越來越易燃化。因此，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，整體結(jié)構(gòu)的消防結(jié)構(gòu)非常的重要，同時(shí)作為建筑結(jié)構(gòu)最基本的結(jié)構(gòu)，其在設(shè)計(jì)的過程中，就需要充分的考慮到消防結(jié)構(gòu)的實(shí)用性。

（1）建筑結(jié)構(gòu)的外圍墻體消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代的高層建筑，其在外墻的裝飾設(shè)計(jì)的過程中，大量的采用了高分子的易燃材質(zhì)，而且基于大樓的面積大。所以其外圍的消防結(jié)構(gòu)需要比較的緊湊，而且消防設(shè)備需要大型化。同時(shí)消防用水的管道可以雙管道德設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而起到雙保險(xiǎn)的作用。而且在各個(gè)易燃點(diǎn)處，合理的分置消防設(shè)備，這樣可以很好的減少大樓整體性著火可能。

（2）高層建筑的結(jié)構(gòu)內(nèi)部消防設(shè)計(jì)

高層建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較的復(fù)雜，進(jìn)而，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的消防處理上，需要進(jìn)行系統(tǒng)的消防設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中，需要做到關(guān)鍵點(diǎn)，都安裝有必要的消防設(shè)備。而且，消防用水要與實(shí)際的生活用水分開，盡量避免消防的用水緊張。當(dāng)然，大樓結(jié)構(gòu)的消防安全，還需要大樓的各個(gè)用戶加強(qiáng)消防意識(shí)，這樣才能更好的保障大樓的消防安全。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)

在豎向荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)的變形主要是豎向構(gòu)件的壓縮變形。由于各豎向構(gòu)件的應(yīng)力大小不同，因而其壓縮變形大小也不同。在水平荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)最大的頂點(diǎn)位移為：水平均布荷載△max=qH4/8EI，倒三角形水平荷載△max=11qH4/120EI，式中EI為結(jié)構(gòu)，從以上可看出，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移與其總高度的四次方成正比。則又比水平荷載作用下的內(nèi)力累積效應(yīng)增加更快，這就說明，高層建筑結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移是相當(dāng)敏感的。水平荷載作用下所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及側(cè)移是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。所以結(jié)構(gòu)應(yīng)具備較大的抗側(cè)度，而不僅僅滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定要求。

五、加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的發(fā)展和完善，計(jì)算機(jī)軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的使用日益增多。但是，數(shù)值計(jì)算并不能完全替代人的主要設(shè)計(jì)概念，因?yàn)樵诔浞掷糜?jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的過程中，必須充分了解軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)在要求和適用性?？傊诮Y(jié)構(gòu)的計(jì)算和分析階段，必須在保持對(duì)計(jì)算和分析過程、結(jié)果有充分認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確的利用計(jì)算軟件根據(jù)規(guī)范進(jìn)行深入細(xì)化的計(jì)算和分析，這一處理結(jié)果的好壞實(shí)際上也決定了設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。SATWE、TAT、ETABS、SAP、MIDAS等式目前比較通用的結(jié)構(gòu)分析軟件。根據(jù)工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算的要求，選擇合適的軟件來建立合理精確地模型，對(duì)不同軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)進(jìn)行橫向比較，為最終的設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。

把握高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意環(huán)節(jié)

（1）周期折減系數(shù)。在高層結(jié)構(gòu)的周期分析中，很容易忽略掉非結(jié)構(gòu)的砌體填充墻所帶來的影響。顯然，周期的折減應(yīng)考慮到非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件的影響作用，而且不同的結(jié)構(gòu)類型和填充墻的形式也決定了周期折減系數(shù)的取值。

（2）選擇足夠的振型數(shù)目。通常對(duì)于規(guī)則高層建筑而已，選擇其前三階振型計(jì)算即可滿足計(jì)算要求，在分析的過程中，應(yīng)依據(jù)規(guī)范要求對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理判斷;但對(duì)于一些不規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)而已，或者對(duì)于一些有特殊構(gòu)件的結(jié)構(gòu)而已，局部的振動(dòng)也必然存在，此時(shí)因根據(jù)具體的振動(dòng)特性來選擇振型數(shù)目的取值。

（3）明確多塔之間的藕聯(lián)計(jì)算。在高層建筑結(jié)構(gòu)形式中，主塔建筑和裙塔建筑構(gòu)成的藕聯(lián)體系是一種常見的結(jié)構(gòu)形式，按結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類型進(jìn)行計(jì)算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開進(jìn)行計(jì)算是滿足力學(xué)基本要求的規(guī)定，但是很多工程師為了計(jì)算的方便通常都是分開單獨(dú)計(jì)算，這樣處理顯然是存在問題的。當(dāng)多塔間剛度相差較大的時(shí)候，兩者之間就存在“耦合效應(yīng)”，此時(shí)若忽視掉就必然使得塔樓的計(jì)算誤差仍然有較大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。

結(jié)語

在我國(guó)城市化建設(shè)的進(jìn)程中，高層結(jié)構(gòu)建筑逐漸成為當(dāng)今城市建設(shè)的主要建筑。尤其是其在一定程度上減緩了城市的用地緊張，因此，非常適合當(dāng)今城市的文明化進(jìn)程。然而，高層結(jié)構(gòu)建筑在設(shè)計(jì)技術(shù)上具有嚴(yán)格的要求，其要求結(jié)構(gòu)的受力結(jié)構(gòu)合理以及抗自然災(zāi)害的性能優(yōu)良，這些最關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)元素都得在設(shè)計(jì)的過程中，作為主要考慮的設(shè)計(jì)元素。

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