芻議高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)要點

陳建權(quán)

摘要：隨著城市經(jīng)濟水平的不段提高，以及人們對物質(zhì)文化生活需求的不斷提升，越來越多的人涌人城市生活，導(dǎo)致了城市人滿為患，再加上人口的不斷增長，為了緩解城市居民對空間的需求，高層建筑需求越來越大，因為高層建筑可以放置更多的貨物、居住更多的人。如何能讓高層建筑不破壞城市空間的和諧，只有更合理的提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力，這是目前結(jié)構(gòu)工程師需要面臨的課題。

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

前言

高層建筑隨著城市化的發(fā)展越來越多樣化，而出現(xiàn)的問題也更加復(fù)雜。隨著層數(shù)和建筑高度增加，利用結(jié)構(gòu)空間作用，又發(fā)展了框架—簡體結(jié)構(gòu)、簡中簡結(jié)構(gòu)、多簡結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)體系。高層建筑結(jié)構(gòu)的承載能力、側(cè)移剛度、抗震性能、材料用量和造價高低，與其采用結(jié)構(gòu)體系有著密切關(guān)系。不同結(jié)構(gòu)體系，適用于不同層數(shù)、高度和功能的建筑。在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，水平力是控制的主要因素，在地震區(qū)水平力是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的決定因素。剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、周期短、地震作用大，在設(shè)計中應(yīng)注意調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度?？傊?，伴隨著建筑類型與功能越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系更加多樣化，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計也成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計工作的主要重點和難點。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義及依據(jù)

1.1概念設(shè)計的意義

高層建筑能做到結(jié)構(gòu)功能與外部條件一致，充分展現(xiàn)先進的設(shè)計.發(fā)揮結(jié)構(gòu)的功能并取得與經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)，更好地解決構(gòu)造處理，用概念設(shè)計來判斷計算設(shè)計的合理性。

1.2概念設(shè)計的依據(jù)

高層建筑結(jié)構(gòu)總體系與各分體系的工作原理和力學(xué)性質(zhì)，設(shè)計和構(gòu)造處理原則，計算程序的力學(xué)模型和功能，吸取或不斷積累的實踐經(jīng)驗。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

2.1水平荷載成為決定因素

一方面，因為樓房自重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，僅與樓房高度的一次方成正比；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，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對一定高度樓房來說，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)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2.2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(yù)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。

2.3側(cè)移成為控制指標(biāo)

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)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(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

2.4結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標(biāo)

相對于較低樓房而言，高層建筑結(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(dāng)?shù)拇胧?，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1地基與基礎(chǔ)設(shè)計

地基與基礎(chǔ)設(shè)計已經(jīng)得到結(jié)構(gòu)工程師的重視，這不僅由于該階段設(shè)計過程合理與否將直接影響到后期設(shè)計工作的進行，也是整個項目成本的決定性因素。因此，這個階段，存在的問題可能會很嚴(yán)重，也甚至?xí)斐刹豢晒懒康膿p失。高層建筑應(yīng)根據(jù)整體布局來選可滿足承載力和變形的要求、并可以調(diào)整不均勻沉降的基礎(chǔ)形式。高層建筑宜設(shè)置地下室以減小地基的附加應(yīng)力和沉降量，有利于滿足天然地基的承載力和上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。此外，基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)注意本地的規(guī)范的重要性。

3.2建筑結(jié)構(gòu)受力性能

對于最初的建筑設(shè)計，建筑師考慮更多的是建筑的空間組合，而不是詳細地確定其具體的結(jié)構(gòu)。建筑物底面建筑空間的形式在水平方向和垂直方向的穩(wěn)定性是非常重要的，因為一些建筑物是由又大又重的組合物來組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于基礎(chǔ)面的，而在建筑設(shè)計中的一個基本要求是要理清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，因此在建筑設(shè)計階段，就有必要對主要承重柱和承重墻的數(shù)量和分布做出整體構(gòu)想。

3.3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的扭轉(zhuǎn)問題

建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心，建筑三心盡可能匯于一點，即三心合一，這是是結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中沒有做到三心合一，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞，要在結(jié)構(gòu)設(shè)計時選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉(zhuǎn)效果的大小取決于質(zhì)量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動，使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡單平面形式。在某些情況下，由于街景與建筑空間的限制，高層建筑不可能全部采用簡單平面形式，當(dāng)需要采用不規(guī)則T形、L形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時，應(yīng)將突出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，同時，在結(jié)構(gòu)設(shè)計布局時，最大可能使建筑狀態(tài)的結(jié)構(gòu)是對稱的。

3.4建筑高度、高寬超限問題

現(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程給出了房屋的最大適用高度和高寬比限值。某些高層建筑房屋高度超過最大適用高度或高寬比超出規(guī)范限值，甚至個別建筑高度和高寬比均超出規(guī)范限值。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，對于建筑的高度、長寬比和尺寸的復(fù)雜程度超過現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的高層建筑，應(yīng)按超限高層建筑進行設(shè)計。同時，另一點不容忽視的問題是，建筑適用高度除與結(jié)構(gòu)體系類型及抗震設(shè)防烈度有關(guān)外，還與場地類別與結(jié)構(gòu)是否規(guī)則等因素有關(guān)，當(dāng)位于Ⅳ類場地或結(jié)構(gòu)平面與豎向布置不規(guī)則時，其最大適用高度應(yīng)適當(dāng)降低。

3.5抗震設(shè)計要求更高

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震設(shè)防要求，需要正確計算正常使用時的豎向荷載和風(fēng)荷載，應(yīng)當(dāng)具有良好的抗震性能。

3.6概念設(shè)計和理論計算具有同等重要性

抗震設(shè)計有兩部分：計算設(shè)計、概念設(shè)計。雖然分析手段在不斷提高，分析的原則在不斷完善，但由于抗震設(shè)計計算是在一定的假想條件下進行，而地震作用具有很大的復(fù)雜性和不確定性，同時地基土影響和結(jié)構(gòu)體系本身都極復(fù)雜，因此理論分析計算很有可能會和實際情況相差甚遠。特別是結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段后，構(gòu)件局部可能會開裂甚至破壞，此時就很難用常規(guī)的計算原理去分析結(jié)構(gòu)。而高層建筑的概念設(shè)計，諸多實踐證明，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計有著重要的意義。

4.結(jié)語

總之，由于目前我國高層建筑發(fā)展迅速；在結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)常遇到各種問題，需要我們設(shè)計人員積累經(jīng)驗，利用正確概念進行設(shè)計。而創(chuàng)新是結(jié)構(gòu)工程師對設(shè)計、業(yè)主和社會的最大貢獻。所以，結(jié)構(gòu)工程師必須在每一個工程項目的設(shè)計中都能做到不斷地探求自然法則，不懈地追求相對的最佳最優(yōu)，要通過反思比較，在經(jīng)驗積累中不斷提高自己的判斷力和創(chuàng)新力。

參考文獻：

[1]周炳章.20年來我國高層建筑結(jié)構(gòu)及抗震技術(shù)的發(fā)展[J].建筑技術(shù)，2011（1O）

[2]王全鳳.高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的進展[J].力學(xué)與實踐，2012，16（2）

[3]陰杰.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計若干問題分析[J].山西建筑，2011，34（22）

[4]崔立成.高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010，（1）.