關于高層建筑結(jié)構(gòu)設計要點的解析

摘要：世界各城市的生產(chǎn)和消費的發(fā)展達到一定程度后，莫不積極致力于提高城市建筑的層數(shù)。實踐證明，高層建筑可以帶來明顯的社會經(jīng)濟效益。本文結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點，并對高層建筑結(jié)構(gòu)設計應注意的要點問題作了論述，以供參考。

關鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設計；要點分析

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設計特點

1、水平荷載成為決定性因素

高層建筑自身重量和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，與建筑物高度成正比關系；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎向構(gòu)件中引起的軸力，是與建筑物高度的二次方成正比；此外，對某一定高度建筑物而言，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2、軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形， 從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響， 造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大；還會對預制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響， 要求根據(jù)軸向變形計算值， 對下料長度進行調(diào)整；另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較， 會得出偏于不安全的結(jié)果。

3、側(cè)移成為控制指標

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應被控制在某一限度之內(nèi)。

4、結(jié)構(gòu)延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當?shù)拇胧瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設計要點

1、注意結(jié)構(gòu)的延性， 防止截面鋼筋超配

（1）要使高層建筑在遭遇強烈地震時具有很強的抗倒塌能力， 最理想的辦法是使結(jié)構(gòu)中所有的構(gòu)件都具有很高的延性。然而在實際工程中很難完全做到這一點， 比較經(jīng)濟的辦法是有選擇有重點的提高結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件的延性。在結(jié)構(gòu)豎向， 對于剛度沿高度均勻分布的、體形較簡單的高層建筑， 應著重提高底層構(gòu)件的延性； 對于大底盤高層建筑， 應著重提高主樓與裙房頂面相銜接的樓層中構(gòu)件的延性； 對于不規(guī)則立面的高層建筑， 應著重加強體形突變處樓層構(gòu)件的延性。在結(jié)構(gòu)平面位置上， 應該著重提高房屋周邊轉(zhuǎn)角處、平面突變處以及復雜平面各翼相接處構(gòu)件的延性； 對偏心結(jié)構(gòu)， 應加大房屋周邊特別是剛度較弱一側(cè)構(gòu)件的延性； 對具有多道抗震防線抗側(cè)力構(gòu)件， 應著重提高第一道抗震防線構(gòu)件的延性。

（2）要使結(jié)構(gòu)能進入彈塑性狀態(tài)， 并能通過結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收地震能量、抗御更高烈度的地震， 就必須做到“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱桿件”， 才能使結(jié)構(gòu)在進入彈塑性狀態(tài)后形成合理的延性較大的屈服機制。在強震作用下， 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是按照各構(gòu)件的實際承載力進行分配的， 而構(gòu)件實際承載力的大小和構(gòu)件截面的實際配筋有關。值得注意的一個問題是， 在實際設計時， 對某些構(gòu)件的配筋進行放大調(diào)整， 形成了強梁弱柱、強桿件弱節(jié)點的不利情況， 這樣做的結(jié)果可以保證構(gòu)件小震不壞， 但是因為沒有形成延性結(jié)構(gòu)就不能保證大震不倒。因此在設計工作中， 必須注意構(gòu)件截面縱向鋼筋的超配現(xiàn)象， 同時也要注意材料的超強問題。

2、注意高層建筑的整體穩(wěn)定性

對高層建筑來說， 在抗震設計中， 房屋的高寬比是一個需慎重考慮的問題。

（1）對整個建筑進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算， 使地震作用下的傾覆力矩與相應的重力荷載在基礎與地基交界面上的合力作用點， 不應超出力矩作用方向抗傾覆構(gòu)件基礎邊長的1/4。

（2）加大建筑物下部幾層的寬度， 使其滿足規(guī)范高寬比的限值， 從而保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

（3）使基礎有足夠的埋置深度。有些裙樓和高層主樓從地上到地下用變形縫徹底分開， 導致主樓基礎埋深不夠， 地震時會使建筑物發(fā)生滑移、整體傾斜甚至傾覆。

（4）對于高寬比很大的高層建筑， 建議采用樁基礎， 樁基礎鋼筋在承臺內(nèi)的錨固長度要足夠大。因為樁是埋在土中的細長構(gòu)件， 由于樁土摩擦力的存在， 樁的抗拔性能較好， 從而能很好地抵抗上部結(jié)構(gòu)的傾覆。避免采用天然地基或復合地基上的淺基礎。

3、關于框架柱截面大小的選擇

（1）對于框架柱來講， 軸壓比越小， 在往復水平荷載作用下其滯回曲線越豐滿， 其耗能能力越大、延性越好； 相反對于短柱， 在往復水平荷載作用下其滯回曲線呈較瘦的反S 形， 耗能能力降低、延性較差，呈剪切破壞。對高層建筑的底部柱而言， 為了滿足軸壓比限值的要求，將柱截面取得很大， 但是由于層高的限制， 就使得框架柱成為短柱。在實際工程設計中， 常采用以下幾種措施：

①框架柱的截面首先要滿足規(guī)范軸壓比的要求；

②采用高強混凝土、鋼管混凝土柱；

③使柱的軸壓比滿足規(guī)范限制要求。所以采取上述措施， 并符合強柱弱梁、強剪弱彎的原則后， 底層框架柱在地震時是能做到不發(fā)生剪切破壞的。

（2）同一樓層中各柱要盡量等剛度。地震災害表明， 長短柱共存時， 很容易因構(gòu)件剛度及受力大小懸殊而各個擊破， 先后依次破壞。

（3）在框架體系或框筒體系中， 角柱的受力要比其它柱差。這是因為：

①在雙向剛接框架中， 角柱沿縱橫兩個方向都是單邊有梁， 即在重力荷載作用下， 角柱已處于雙向受彎狀態(tài)；

②在高層建筑中， 水平荷載引起較大的傾覆力矩， 框架整體彎曲時， 使角柱所受的附加軸力最大；

③結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛心不可能完全重合， 在結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動過程中， 角柱的相對側(cè)移最大， 因此為了防止角柱的斜向壓彎及扭轉(zhuǎn)破壞， 不能使柱截面太小， 同時要特別注意箍筋的加密， 增加箍筋對受壓區(qū)混凝土的約束作用。但是不必刻意將角柱的截面增大。

4、關于剪力墻設計

（1）鋼筋混凝土抗震墻的延性和破壞形態(tài)與墻體的高寬比和超靜定次數(shù)密切相關。

①為了提高抗震墻的變形能力， 避免發(fā)生剪切破壞， 對于一道截面較長的抗震墻， 應該利用洞口設置弱連梁， 使墻體分為小開口墻、多肢墻或單肢墻， 并使每個墻段的高寬比不小于2。所謂弱連梁， 是指在地震作用下各層連梁的總約束彎矩不大于該墻段總地震彎矩的20%； 連梁不能太強， 以免水平地震作用下某個墻肢出現(xiàn)全截面受拉，這是比較危險的。但是， 考慮到耗能， 連梁又不能太弱， 連梁弱到成為一般小梁時， 墻肢就變成單肢墻， 而單肢墻的延性很差， 僅為多肢墻的一半， 且單肢墻僅具有一道抗震防線， 超靜定次數(shù)少， 在地震作用下是很不利的。

②在實際設計中， 對連梁的剛度都要進行折減， 這是因為剪力墻的剛度一般都很大， 在水平力作用下， 剪力墻中的連梁會因為很大的內(nèi)力而超過截面允許值， 可靠的辦法是讓這些連梁先屈服， 要使連梁能形成塑性鉸而不發(fā)生脆性破壞， 連梁首先就必須滿足強剪弱彎的要求， 對連梁的剛度進行折減實際上就是降低其抗彎能力。

（2）規(guī)范規(guī)定， 剪力墻在端部應設置暗柱、端柱等邊緣構(gòu)件。這些邊緣構(gòu)件的作用相當于磚混結(jié)構(gòu)的約束柱， 當結(jié)構(gòu)的剛度較小， 地震作用下層間位移和頂點位移較大時， 邊緣構(gòu)件所起的作用也就越大，此時暗柱的截面和配筋就應加大。

三、結(jié)束語

綜上所述，做好高層建筑結(jié)構(gòu)設計工作，就必須遵循高層建筑的設計原則和設計理念，選擇最有效的高層建筑結(jié)構(gòu)體系，建設好我國的高層建筑，令其更加符合甚至是超越國際市場上的標準。

參考文獻

[1]傅學怡：《實用高層建筑結(jié)構(gòu)設計》，中國建筑工業(yè)出版.

[2]朱炳炎：《建筑結(jié)構(gòu)設計問答及分析》，中國建筑工業(yè)出版社.

[3]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》JGJ3-2010.