淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的若干問題思考

摘要：文章分析了高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點，以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論為基礎(chǔ)，以現(xiàn)行的國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為根據(jù)，對高層建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了深入的分析研究，得出了一些具有實用價值的結(jié)論，對高層建筑的優(yōu)化設(shè)計具有很大的實用意義。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；鋼筋混凝土；性能；

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計總體指標(biāo)控制

計算判斷結(jié)構(gòu)抗震是否可行的主要依據(jù)是在風(fēng)荷載和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，結(jié)構(gòu)的振型曲線，自振周期以及風(fēng)荷載和地震作用下建筑物底部剪力和總彎矩是否在合理范圍中?？傮w指標(biāo)對建筑物的總體判別十分有用。譬如說若剛度太大，周期太短，導(dǎo)致地震效應(yīng)增大，造成不必要的材料浪費；但剛度太小，結(jié)構(gòu)變形太大，影響建筑物的使用。當(dāng)然建議對于頂層構(gòu)件可不考慮在內(nèi)，否則很難滿足上述指標(biāo)。另外地震效應(yīng)是與建筑物質(zhì)量成正比，減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效措施.高層建筑中質(zhì)量大了，不僅作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大，還由于地震作用傾覆力矩大，對豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力.因此，在小高層建筑房屋中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件宜采用高強(qiáng)度材料，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和圍護(hù)墻體應(yīng)有用輕質(zhì)材料。減輕房屋自重，既減小了豎向荷載作用下構(gòu)件的內(nèi)力，使構(gòu)件截面變小，又可減小結(jié)構(gòu)剛度與地震效應(yīng)，不但能節(jié)省材料，降低造價，還能增加使用空間。

對于小高層建筑結(jié)構(gòu)而言，在結(jié)構(gòu)選型上應(yīng)注意以下幾點：

1.1結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

《抗規(guī)》、《高規(guī)》在這方面要求了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、豎向抗側(cè)力、剛度變化宜均勻等，而且，《抗規(guī)》采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案。”因此，結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計是很重要的。

1.2上部結(jié)構(gòu)嵌固端的設(shè)計

由于高層建筑一般都帶有一層或一層以上的地下室或人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，我們在嵌固端樓板的設(shè)計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性等問題上都要認(rèn)真考慮，不得忽視。

1.3短肢剪力墻的設(shè)計

由于目前的建筑內(nèi)部空間以及美觀的要求，以及建筑造價經(jīng)濟(jì)合理的要求，從而對結(jié)構(gòu)體系的要求也隨之提高，剪力墻結(jié)構(gòu)（含部分短肢剪力墻）就是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)（含部分短肢剪力墻）能夠較好地完成建筑要求，并且較為經(jīng)濟(jì)合理

二、性能分析

2.1 抗震性能分析

對結(jié)構(gòu)體系來說足夠的承載能力和變形能力是兩個同時需要滿足的條件。結(jié)合概念設(shè)計的理念，對上述兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行對比分析，電算程序可以采用中國建筑科學(xué)研究院編制的結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件SATWE。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力，還要求其有適當(dāng)?shù)膭偠?。高層結(jié)構(gòu)的使用功能和安全與其側(cè)移的大小密切相關(guān)，過大的側(cè)向變形會使隔墻、維護(hù)墻及其飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞。結(jié)構(gòu)分別按考慮5%的偶然偏心和雙向地震力作用的不利情況計算出各結(jié)構(gòu)體系層間位移角，剪力墻結(jié)構(gòu)小于框剪結(jié)構(gòu)，但均小于規(guī)范要求，且富裕量較大，說明兩種結(jié)構(gòu)體系滿足剛度要求。但就使用性能方面，剪力墻結(jié)構(gòu)由于墻體太多，結(jié)構(gòu)自重大，導(dǎo)致了較大的地震作用，混凝土和鋼材用量也較高；同時也增加了基礎(chǔ)工程的投資，而且限制了建筑上的靈活使用。而框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的特點是平面使用靈活，適用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)合理，能使框架、剪力墻兩種有著不同變形性能的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)很好地協(xié)同發(fā)揮作用。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。由框架構(gòu)成自由靈活的使用空間，容易滿足不同建筑功能的要求；同時剪力墻具有相當(dāng)大的抗側(cè)移剛度，從而使框一剪結(jié)構(gòu)具有較好的抗震能力，也大大減少了結(jié)構(gòu)的側(cè)移。

2.2 經(jīng)濟(jì)性比較

我們通過對三種鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)直接費的計算，發(fā)現(xiàn)三種鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)單位面直接費相差不是很多，其中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費最大，框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費最小，其中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費比框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費高出12.5%，比大開間剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費高出7.3%，大開間剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費比框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費高出4.9%。三種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)的次要項目造價基本相同。單位面積造價框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的最小，大開間剪力墻結(jié)構(gòu)的次之，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的會稍微較大些，然而三種結(jié)構(gòu)體系直接費最大相差不到45元/㎡。

三、高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點

3.1 水平荷載逐漸成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素

在低層建筑中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計；而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生著重要影響，但水平荷載將成為控制因素。對某一特定建筑來說，豎向荷載大體上是定值；而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨動力特性的不同而有較大幅度的變化。

3.2 軸向變形不容忽視

對于采用框架——剪力墻體系的高層建筑，框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)力，這就使得中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時，此種差異軸向變形將會達(dá)到很大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁中間支座產(chǎn)生沉陷，使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。

3.3 側(cè)移成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制指標(biāo)

與低層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移己成為高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。隨著房屋高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，結(jié)構(gòu)的頂點側(cè)移一般與房屋高度H 的四次方成正比。在設(shè)計小高層住宅時，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，而且還要有足夠的抗側(cè)移剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移控制在一定的范圍內(nèi)。這是因為：

a.過大的側(cè)移會使人不舒服，影響房屋的正常使用。

b.過大的側(cè)移會使隔墻、圍護(hù)墻以及它們的高級飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，也會使電梯軌道變形而導(dǎo)致不能正常運行。

c.過大的側(cè)移會因P-△效應(yīng)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，甚至因側(cè)移與附加內(nèi)力的惡性循環(huán)導(dǎo)致建筑物的倒塌。

3.4 結(jié)構(gòu)延性是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)

相對于低層建筑而言，高層建筑更柔一些，地震作用下的變形就更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

四、高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計策略

4.1 優(yōu)化設(shè)計的方法

當(dāng)前，在無成熟的優(yōu)化設(shè)計分析軟件的情況下，主要是應(yīng)用高層建筑結(jié)構(gòu)分析軟件，采用人工分析進(jìn)行調(diào)整，運用概念設(shè)計的方法對不同的結(jié)構(gòu)選型和布置不斷的進(jìn)行方案分析比較，以獲得比較理想的結(jié)構(gòu)方案，這是在結(jié)構(gòu)設(shè)計中最常用的也是最簡單的優(yōu)選或者說是優(yōu)化方法。用概念設(shè)計的方法所得的方案是較合理、經(jīng)濟(jì)的，雖其費工費時、對設(shè)計人員的素質(zhì)要求較高，但這種依靠設(shè)計人員經(jīng)驗進(jìn)行人工優(yōu)化的方法仍是當(dāng)前所普遍采用的主要方法。對于同一高層建筑方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)（包括基礎(chǔ)）布置方案；確定了結(jié)構(gòu)布置的小高層住宅物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過程中設(shè)計參數(shù)、材料、荷載的取值也不是唯一的；高層建筑物細(xì)部的處理更是不盡相同等等，這些問題目前計算機(jī)是無法完全解決的，都需要設(shè)計人員自己做出判斷。

5結(jié)語

總之，高層設(shè)計時，做好概念設(shè)計，根據(jù)房屋的建造地點，平立面體形，層數(shù)多少，在滿足安全性、耐久性與舒適性要求的前提下采用合理的結(jié)構(gòu)體系。在構(gòu)件設(shè)計中精打細(xì)算，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范構(gòu)造要求對于整個建筑物，保證安全，降低造價影響巨大，這也是我們在今后設(shè)計中不斷提高及改進(jìn)的。

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