對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討

歸亮

摘要：高層建筑的出現(xiàn)，不僅改變了城市的建筑格局和人們的居住模式，還在一定程度上反映出科學(xué)技術(shù)與社會經(jīng)濟發(fā)展的水平。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題進行了分析。

關(guān)鍵詞：設(shè)計原則；關(guān)鍵技術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項集結(jié)構(gòu)分析、數(shù)學(xué)優(yōu)化方法以及計算機技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)工作，是一項對國家建設(shè)有重大意義的工作，同時，亦是一門實用性很強的工作。在對高層建筑進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論為基礎(chǔ)，對影響高層建筑結(jié)構(gòu)的主要因素進行深入的分析研究，做到精心設(shè)計，確保質(zhì)量、安全。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)與建筑、設(shè)備和施工密切配合，做到安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理，并積極采用新技術(shù)、新工藝和新材料。

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)重視結(jié)構(gòu)選型和構(gòu)造，優(yōu)先選擇抗震及抗風(fēng)性能好且經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系與平、立面布置方案，并注意加強構(gòu)造連接。在抗震設(shè)計中，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)整體抗震性能，使整個結(jié)構(gòu)有足夠的承載力、剛度和延性。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1水平荷載相對于豎向荷載顯得更為重要

結(jié)構(gòu)需同時承受豎向和水平荷載，低層結(jié)構(gòu)以抵抗重力為代表的豎向荷載為主，而水平荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力、側(cè)向位移很小。對高層結(jié)構(gòu)來說，隨著建筑高度的增加，水平荷載隨建筑高度的增高迅速增大。如把建筑物視作一簡單的豎向懸臂構(gòu)件，構(gòu)件中由豎向荷載產(chǎn)生的軸力與高度（H）成正比；水平作用產(chǎn)生的彎矩與高度（H）的平方成正比；水平作用產(chǎn)生的側(cè)向位移則與高度（H）的四次方成正比。對某一高度確定的建筑，結(jié)構(gòu)豎向荷載的大小基本穩(wěn)定，而水平方向上風(fēng)載和地震作用的數(shù)值大小往往會隨高層建筑結(jié)構(gòu)的動力特性不同而存在較大幅度的變化。

2.2控制結(jié)構(gòu)側(cè)移是關(guān)鍵因素

與低層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計不同，高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移是其結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的關(guān)鍵決定性因素。隨著建筑高度的不斷增加，水平側(cè)向荷載下的結(jié)構(gòu)側(cè)移變形會快速增大。側(cè)向位移過大使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，特別是對豎向構(gòu)件，附加偏心力超過一定限值時，將會引起整個結(jié)構(gòu)的倒塌破壞；同時，在風(fēng)荷載作用下，如果側(cè)向位移過大，將會引起居住者工作者的不適，在地震作用下，如果側(cè)向位移過大，更會讓人感到不安和驚慌。

2.3結(jié)構(gòu)軸向變形的影響顯著

對于高層建筑結(jié)構(gòu)，由于層數(shù)多、高度高，軸力很大，從而沿高度逐漸積累的軸向變形很顯著高層建筑結(jié)構(gòu)中，一般豎向荷載的數(shù)值較大，在柱中會引起較大范圍的軸向壓縮變形，對結(jié)構(gòu)體系中的連續(xù)梁彎矩大小產(chǎn)生顯著影響。高層建筑的軸向變形的差異會達到一個比較大的數(shù)值，從而引起跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大，連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小。

2.4 建筑體型和結(jié)構(gòu)總體布置的重要性

由于地震的不可預(yù)知性，在抗震設(shè)防的低烈度地區(qū)也會發(fā)生強震。因此，對于高層結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，必須要注重其抗震概念設(shè)計，確保“大震不倒”。而合理的建筑體型、結(jié)構(gòu)總體布置是實現(xiàn)此目標的重要措施之一，現(xiàn)行規(guī)范就對結(jié)構(gòu)的平面和豎向布置提出了多項控制目標。例如建筑平面狹長的高層，在水平偏心地震力作用下，建筑物長度方向的兩邊，容易出現(xiàn)過大受扭作用，導(dǎo)致豎向構(gòu)件的大變形破壞；另外高層豎向構(gòu)件側(cè)向剛度的不連續(xù)，就像截面隨高度不均勻變化的懸臂構(gòu)件，易在剛度突變處出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致此處構(gòu)件過早破壞，還有豎向構(gòu)件布置的不連續(xù)，會使豎向構(gòu)件的不連續(xù)處出現(xiàn)復(fù)雜受力和應(yīng)力集中的問題，很難用現(xiàn)行設(shè)計軟件進行合理分析。

3.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計注意問題

3.1關(guān)于箱形、筏形基礎(chǔ)底板的挑板問題。從結(jié)構(gòu)角度來講，如果能出挑板，能調(diào)勻邊跨底板鋼筋，特別是當(dāng)?shù)装邃摻钔ㄩL布置時，不會因邊跨鋼筋而加大整個底板的通長筋，較節(jié)約出挑板后，能降低基底附加應(yīng)力，當(dāng)基礎(chǔ)形式處在天然地基和其他人工地基時，加挑板就可能采用天然地基，能降低整體沉降，當(dāng)荷載偏心時，在特定部位設(shè)挑板，還可調(diào)整沉降差和整體傾斜：窗井部位可以認為是挑板上砌墻，不宜再出長挑板。雖然在計算時此處板并不應(yīng)按挑板計算。

3.2關(guān)于箱形、筏形基礎(chǔ)底板挑板的陽角問題

陽角面積在整個基礎(chǔ)底面積中所占比例極小，可砍成直角或斜角。如果底板鋼筋雙向雙排，且在懸挑部分不變，陽角不必加輻射筋。

3.3基坑開挖時，摩擦角范圍內(nèi)的坑邊的基底土受到約束，不反彈，坑中心的地基土反彈，回彈以彈性為主，回彈部分被人工清除。當(dāng)基礎(chǔ)較小，坑底受到很大約束，回彈可以忽略，在計算沉降時，應(yīng)按基底附加應(yīng)力計算。當(dāng)基坑很大時，相對受到較小約束，如箱基，計算沉降時應(yīng)按基底壓力計算，被坑邊土約束的部分當(dāng)做安全儲備，這也是計算沉降大于實際沉降的原因之一。

3.4關(guān)于梁、板的計算跨度。一般的手冊或教科書上所講的計算跨度，如凈跨的1.1倍等，這些規(guī)定和概念僅適用于常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，在應(yīng)用日廣的寬扁梁中是不合適的。梁板結(jié)構(gòu)，在梁的中心線上有一剛性支座，將梁板統(tǒng)一認為是一變截面板。在扁梁結(jié)構(gòu)中，梁高比板厚大不了多少時，應(yīng)將計算長度取至梁中心，選梁中心處的彎距和梁厚，及梁邊彎距和板厚配筋，取二者大值配筋。柱子也可認為是超大截面梁，所以梁配筋時應(yīng)取柱邊彎距。削峰是正常的，不削峰才有問題。

3.5關(guān)于回彈再壓縮基坑開挖時，摩擦角范圍內(nèi)的坑邊的基底土受到約束，不反彈，坑中心的地基土反彈，回彈以彈性為主，回彈部分被人工清除。當(dāng)基礎(chǔ)較小，坑底受到很大約束，如獨立基礎(chǔ)，回彈可以忽略，在計算沉降時，應(yīng)按基底附加應(yīng)力計算。當(dāng)基坑很大時，相對受到較小約束，如箱基，計算沉降時應(yīng)按基底壓力計算，被坑邊土約束的部分當(dāng)做安全儲備，這也是計算沉降大于實際沉降的原因之一。

3.6抗震縫應(yīng)加大，經(jīng)統(tǒng)計，按規(guī)范要求設(shè)的防震縫在地震時有40%發(fā)生了碰撞。故應(yīng)增大抗震縫間距。

4.應(yīng)用于高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

4.1剪力墻體系。當(dāng)受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時，即形成剪力墻體系。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，時一種良好的結(jié)構(gòu)體系。

4.2框架—剪力墻體系。顧名思義由框架柱和剪力墻組成的抗側(cè)力體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系，在體系中框架體系主要承受豎向荷載，剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件。

4.3筒體體系。凡采用筒體為抗測力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、筒體—框架、筒中筒、多束筒等多種型式。筒體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混泥土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。筒體體系具有很大的剛度和強度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)，抗震能力很強，往往應(yīng)用于大跨度大空間或超高層建筑。

5.結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計是個系統(tǒng)、全面的工作，需要扎實的理論知識功底，靈活創(chuàng)新的思維和嚴肅認真負責(zé)的工作態(tài)度。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師不能僅僅重視結(jié)構(gòu)計算的準確性而忽略結(jié)構(gòu)方案的具體實際情況，應(yīng)作出合理的結(jié)構(gòu)方案選擇。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)具體情況進行具體分析，用掌握的知識處理實際設(shè)計中遇到的各種問題。

參考文獻：

[1]朱丙寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及設(shè)計[M].中國建筑工業(yè)出版社.2009年11月.

[2]李智.談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].《城市建設(shè)理論研究》.2013年4月.

[3]劉伶芝.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探析[J].《城市建設(shè)理論研究》.2013年2月.