剖析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王浩

摘要：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人民生活的迅速提高。業(yè)主及建筑師的創(chuàng)新藝術(shù)使得鋼筋混凝土高層建筑發(fā)展被廣泛應(yīng)用。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給工程設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，本文就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾方面問題進(jìn)行探討。

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

1、高層建筑結(jié)構(gòu)的荷載與地震作用

作用于高層建筑上的荷載可分為兩類：豎向荷載，主要包括建筑的自重荷載、樓（屋）面活荷載以及豎向地震作用；水平荷載主要包括風(fēng)荷載和水平地震作用。

1.1 豎向荷載。對(duì)于一個(gè)建筑物的最初的方案設(shè)計(jì)，建筑師考慮更多的是它的空問組成特點(diǎn)，而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。建筑物底面對(duì)建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，所以，在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，就必須對(duì)主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。

1.2 與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對(duì)建筑物的效應(yīng)不是線性增加的，而隨建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時(shí)，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應(yīng)更加明顯。在高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，高層建筑的結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異。

1.3 計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)水平地震作用的基本方法是振型分解反應(yīng)譜法。它適用于任意體型、平面和高度的高層建筑。而對(duì)于那些建筑結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的高層建筑宜采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

2、結(jié)構(gòu)布置階段

對(duì)于高層結(jié)構(gòu)而言，在工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)布置選型階段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)。

2.1 結(jié)構(gòu)平面布置

首先要確定梁、柱、基礎(chǔ)等在平面的位置。而且必須考慮到有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力直接，力爭均勻?qū)ΨQ，減少扭轉(zhuǎn)的影響。結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)遵循對(duì)稱、規(guī)則、簡單的原則，避免凹角和狹長的縮頸部位，避免在凹角和端部設(shè)置樓電梯間；避免樓電梯間偏置。平面長度不宜過長，控制L/B的大小。對(duì)稱性對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗震非常重要。對(duì)稱性包括建筑平面的對(duì)稱、質(zhì)量分布的對(duì)稱、結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的對(duì)稱三個(gè)方面。最佳的方案是使建筑平面形心、質(zhì)量中心、結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度中心在平面上位于同一點(diǎn)上，而在豎向則位于同一鉛垂線上，簡稱“三心重合”。

2.2 結(jié)構(gòu)豎向布置

2.2.1高寬比要求

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，規(guī)范規(guī)定了結(jié)構(gòu)適用的最大高寬比H/B的限值，隨抗震設(shè)防烈度的提高，H/B限制應(yīng)該更嚴(yán)。結(jié)構(gòu)高寬比的要求：從整體上看，建筑物好比一個(gè)頂部自由、底部嵌固于地基上的懸臂柱，承受豎向荷載和側(cè)向荷載的共同作用。在抗震設(shè)計(jì)中，該懸臂柱的長細(xì)比對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移有較大的影響，建筑物的高寬比可能比它的絕對(duì)尺寸更重要。建筑物越細(xì)長，地震的傾覆作用越厲害，外側(cè)柱子的內(nèi)力也越大，建筑物的側(cè)向位移也越大。因此應(yīng)對(duì)建筑物的高寬比進(jìn)行限制。

2.2.2 連續(xù)性要求

連續(xù)性是結(jié)構(gòu)布置中的重要方面，而又常與建筑布置相矛盾。建筑師往往希望從平面到立面都豐富多變，而合理的結(jié)構(gòu)布置卻應(yīng)該是連續(xù)的、均勻的，不應(yīng)使剛度發(fā)生突變。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與計(jì)算原則

3.1 設(shè)計(jì)要求

3.1.1承載能力要求。高層建筑地基承載力的計(jì)算應(yīng)以理論計(jì)算為主，不宜采用硬性的查表進(jìn)行結(jié)論，并且要按照現(xiàn)場載荷試驗(yàn)來確定，采用規(guī)范的公式進(jìn)行計(jì)算，這樣得出的承載力具有一定的安全儲(chǔ)備。

3.1.2抗震驗(yàn)算和抗震構(gòu)造措施的要求。甲、乙類建筑：當(dāng)該地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為6～8度時(shí)，應(yīng)符合該地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求；當(dāng)該地區(qū)的設(shè)防烈度為9度時(shí)，應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。當(dāng)建筑場地為Ⅰ類時(shí)，應(yīng)允許仍按該地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施。丙類建筑：應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其抗震措施；當(dāng)建筑場地為Ⅰ類時(shí)，除6度外，應(yīng)允許按該地區(qū)抗震設(shè)防烈度降低一度的要求采取抗震構(gòu)造措施。穩(wěn)定、變形的要求。

3.1.3 框架柱、梁、筒體、剪力墻的設(shè)計(jì)要求。

⑴框架柱、框支柱應(yīng)符合下列要求：

①宜采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱；

②柱端彎矩增大系數(shù)`ηc`對(duì)框架結(jié)構(gòu)，二、三級(jí)分別取1.5，1.3；對(duì)其他結(jié)構(gòu)中的框架，一、二、三、四級(jí)分別取1.4、1.2、1.1和1.1。柱端剪力增大系數(shù)`ηvc`對(duì)框架結(jié)構(gòu)，二、三級(jí)分別取1.3，1.2；對(duì)其他結(jié)構(gòu)類型的框架，一、二、三、四級(jí)分別取1.4、1.2、1.1和1.1。

⑵框架梁應(yīng)符合下列要求：

①梁剪力增大系數(shù)`ηvb`一、二、三級(jí)分別取1.3，1.2和1.1；

②抗震設(shè)計(jì)，框架梁端截面組合的剪力設(shè)計(jì)值四級(jí)時(shí)可直接考慮地震作用組合的剪力設(shè)計(jì)值。

⑶筒體、剪力墻應(yīng)符合下列要求：

①剪力墻豎向和水平分布鋼筋的配筋率，一、二、三級(jí)時(shí)均不應(yīng)小于0.25%，四級(jí)和非抗震設(shè)計(jì)時(shí)均不應(yīng)小于0.20%。

②框架-剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成雙向抗側(cè)力體系，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)兩主軸力方向均應(yīng)布置剪力墻；框支剪力墻結(jié)構(gòu)的落地剪力墻底部加強(qiáng)部位邊緣構(gòu)件宜配置型鋼，型鋼宜向上、下各延伸一層。

⑷框筒梁和內(nèi)筒連梁應(yīng)符合下列要求：

①當(dāng)跨高比不大于2時(shí)，宜增配對(duì)角斜向鋼筋；

②當(dāng)跨高比不大于1時(shí)，宜配采用交叉暗撐。

3.2 計(jì)算原則

結(jié)構(gòu)計(jì)算的一般原則與一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同，多高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)保證在荷載作用下結(jié)構(gòu)有足夠的承載能力及剛度，以保證結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。在使用荷載作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)處于彈性階段或有荷載小的裂縫出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足承載能力及水平位移限值的要求。

3.2.1進(jìn)行彈性及彈塑性分析。我國規(guī)范規(guī)定在風(fēng)荷載作用下，內(nèi)力及位移分析采用彈性計(jì)算方法。抗震設(shè)計(jì)的兩階段設(shè)計(jì)計(jì)算方法不同，在第一階段內(nèi)力及位移分析采用彈性計(jì)算方法，在第二階段，采用彈塑性時(shí)程分析方法校核變形。

3.2.2靜力分析與動(dòng)力分析。時(shí)程分析方法是動(dòng)力分析，通過動(dòng)力分析求得結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由每個(gè)時(shí)刻的位移再求得每個(gè)時(shí)刻的內(nèi)力，時(shí)程分析方法可分為彈性時(shí)程分析和彈塑性時(shí)程分析。

3.2.3計(jì)算基本假定。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，首先分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，在分析結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力。在需要時(shí)，在進(jìn)行時(shí)程分析。對(duì)結(jié)構(gòu)工程師的要求是：合理運(yùn)用簡化假定，善于抓住主要。

4結(jié)語

經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，越來越多的高層建筑出現(xiàn)，對(duì)于建筑工程師來說是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。眾所周知，低層建筑結(jié)構(gòu)通常以抵抗豎向荷載為主，水平荷載對(duì)其影響較小，一般可以忽略。但高層建筑結(jié)構(gòu)中，較大的建筑高度造成了與底層結(jié)構(gòu)完全不同的受力情況，水平荷載不僅是主要荷載的，跟豎向荷載共同作用，而且往往還成為設(shè)計(jì)中的控制因素。隨著高層建筑總高度的增加，其側(cè)向位移增加的速率則更大，而底部彎矩也同樣很大，過大的側(cè)向變形會(huì)使結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下產(chǎn)生附加應(yīng)力，會(huì)使填充墻、建筑裝修和電梯軌道等服務(wù)設(shè)施出現(xiàn)裂縫、變形，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)性的損傷或裂縫，從而危及結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)不僅要有足夠的強(qiáng)度，而且要有合理的剛度。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣濟(jì)同；楊松；；關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)建議與應(yīng)用[A]；第七屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]；2007年

[2]王廣東；復(fù)雜高層建筑板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D]；西安建筑科技大學(xué)；2012年