試論高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘要：一個完整的高層住宅建筑必須由專業(yè)設(shè)計人員結(jié)合多方面的系統(tǒng)知識來完成，尤其是結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣直接關(guān)系到建筑整體體型和空間的布置。因此，在進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)做好抗震概念的清晰掌握，采取各種構(gòu)造措施，并通過適宜的分析軟件以取得比較理性化的結(jié)果。只有各種專業(yè)人員通力協(xié)作，發(fā)揮各自的專業(yè)優(yōu)勢，才能擇優(yōu)選擇最佳方案，進(jìn)而設(shè)計出美觀、實用、經(jīng)濟(jì)、安全的高層住宅建筑。

關(guān)鍵詞：高層住宅;建筑結(jié)構(gòu);設(shè)計;優(yōu)化

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

1.1利水平荷載是其決定性因素

利水平荷載已經(jīng)成為了高層住宅建筑的決定性因素。在建筑的豎向構(gòu)件中，因為其自身的重量以及樓面使用的荷載，所帶來的軸力和彎矩的數(shù)值是和所建的建筑高度有著正比關(guān)系;然而，對建筑結(jié)構(gòu)來說，水平荷載作用所引起的傾覆力矩以及在豎向構(gòu)件中，其由此引起的軸力和建筑物的高度二次方有著正比關(guān)系;除此之外，對某一特定的高層住宅建筑來說，在大體上，豎向荷載是一個定值，然而，作為建筑的水平荷載上的風(fēng)荷載作用以及地震作用，其數(shù)值是隨著建筑結(jié)構(gòu)的動力特性的變化而隨之有著比較大幅度的變化。

1.2不能忽視軸向變形

在高層的住宅建筑之中，因為豎向上的荷載數(shù)值比較大，其可以在建筑柱中產(chǎn)生比較大的軸向變形，繼而建筑會對連續(xù)的梁彎矩造成一定的影響，致使連續(xù)的建筑梁中間支座處負(fù)彎的矩值度減小，同時，跨中正彎矩以及端支座負(fù)彎矩值度增大;除此之外，給建筑構(gòu)件剪力以及側(cè)移造成影響，把建筑的構(gòu)件豎向變形考慮進(jìn)去及比較后，會直接得出一個不夠安全的結(jié)果。

1.3結(jié)構(gòu)延性成為關(guān)鍵的設(shè)計指標(biāo)

高層住宅建筑和比較低的低樓房兩者比較起來來說，高層的建筑結(jié)構(gòu)更加柔和一些，在地震的迫害作用之下，高層的變形也更大一些。在建筑進(jìn)入到設(shè)計塑性的變形時期之后，為了使建筑結(jié)構(gòu)仍然保留比較強(qiáng)的變形能力，以免倒塌，尤其是需要在建筑的構(gòu)造之上運(yùn)用一定恰當(dāng)?shù)拇胧?，從而來對結(jié)構(gòu)具備充分的延性做出保障。

2.高層住宅的結(jié)構(gòu)體系

2.1剪力墻承重體系

在高層建筑中為了將非承重隔墻的數(shù)量有效的進(jìn)行減少，常常使用剪力墻結(jié)構(gòu)。將一些剪力墻進(jìn)行合理的縱橫相交，在作為承重結(jié)構(gòu)的同時，還可以充當(dāng)分隔間斷墻。由于剪力墻綜合交錯形成剪力墻體系，能夠在很大程度上提高剛度，可以有效的提高建筑整體的抗震能力和抗風(fēng)載荷。當(dāng)然，剪力墻結(jié)構(gòu)并不是沒有缺點，由于綜合交錯的剪力墻將空間分割的比較細(xì)碎，嚴(yán)重束縛了建筑的平面布局。針對這個問題，可以采用跨度相對比較大的樓板和輕質(zhì)的隔斷相搭配，從而實現(xiàn)內(nèi)部空間的靈活組織。

2.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系

高層建筑常常將一部分的框架利用較大的剪力墻進(jìn)行替換，從而解決框架體系強(qiáng)度和剛度不足的問題，這樣就形成了框架—剪力墻體系?？蚣芎图袅υ谒搅Φ淖饔孟潞蛣偠茸銐虻臉前逡约斑B梁協(xié)同工作，從而形成一個體系。在體系中，垂直方向上的載荷主要由框架體系承受，而水平方向上的剪力主要由剪力墻來承受。剪力墻的存在使住宅結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度在很大程度上加大，同時極大的減小了建筑的水平位移。與此同時，建筑所受到的水平剪力的影響將在很大程度上降低，并且內(nèi)力沿著豎向的分布慢慢的趨向于均勻。

2.3筒形結(jié)構(gòu)體系

凡采用筒體為抗側(cè)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。作為空間受力構(gòu)件的筒體有兩種不同的類型：實腹筒和空腹筒。實腹筒作為一個三維豎向結(jié)構(gòu)單體是由平面或曲面墻圍成。而空腹筒作為一個空間受力構(gòu)件則是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的。筒體體系的各個部件的受力情況相對比較合理，因而剛度和強(qiáng)度比較強(qiáng)，有著很強(qiáng)的抗風(fēng)能力和抗震能力，因此在高層建筑中的使用比較普遍。

2.4其他結(jié)構(gòu)體系

隨著建筑技術(shù)以及相關(guān)材料科學(xué)的飛速發(fā)展，高層建筑設(shè)計處于一個動態(tài)的變化過程之中，其結(jié)構(gòu)體系設(shè)計勢必也會隨之不斷的更新發(fā)展，新的結(jié)構(gòu)體系代替就的結(jié)構(gòu)體系是不可避免的。從目前看，現(xiàn)在很多新型的結(jié)構(gòu)體系都還處于探索的過程之中，如筒中筒結(jié)構(gòu)的發(fā)展、或者束狀筒的組合，外筒桁架交錯，以中心并筒懸掛式結(jié)構(gòu)以及很高的桁架梁的體系等。這些結(jié)構(gòu)體系由于尚不夠成熟，因此要用于實踐之中還需要一段時間的成長。

3.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施

3.1折減高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的周期性

高層住宅建筑在設(shè)計框架、頂蓋等結(jié)構(gòu)時，由于填充墻體的具體存在，導(dǎo)致實際中的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的剛度比設(shè)計時候計算得到的剛度相差比較大，計算的周期同時也比實際的周期相差比較大。因此，結(jié)構(gòu)剪力算出來偏小的時候，會造成房屋的一些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不安全因素，所以應(yīng)該適當(dāng)把房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計時計算得到的進(jìn)行折減，能夠取得到顯著的效果，但是高層住宅建筑的框架結(jié)構(gòu)，不能折剪計算得到的周期。

3.2對剪力墻的設(shè)計要加強(qiáng)

剪力墻的設(shè)計關(guān)鍵是連梁設(shè)計。聯(lián)肢墻是連梁把各墻肢進(jìn)行聯(lián)結(jié)組成，增大了約束墻肢的剛度。連梁剛度被增大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震作用同時增大，也增大了連梁與墻肢的分配內(nèi)力，這種情況下只能把構(gòu)件配筋量增大，這樣的設(shè)計結(jié)果明顯在很大程度上浪費了材料。所以，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計的時候，不應(yīng)該把具有大剛度的窗下墻當(dāng)作連梁，而是要把連梁設(shè)計分為截面和小剛度的弱連梁。當(dāng)然，滿足了結(jié)構(gòu)的剛度和變形的要求后，就要從經(jīng)濟(jì)的角度和抗力以及變形方面進(jìn)行綜合的考慮，合理進(jìn)行抗側(cè)力構(gòu)件的布置。結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的剛度隨著剪力墻的數(shù)量增多而增大，但是相應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移隨之減小，抗側(cè)力剛度變大的同時結(jié)構(gòu)地震力也隨之增大，非常不利于結(jié)構(gòu)造價的控制。所以，剪力墻應(yīng)該遵循周邊分散、均勻等原則進(jìn)行合理的布置，對水平位移的限值進(jìn)行規(guī)范化，盡最大程度的把剪力墻的數(shù)量降到最低。

3.3高層住宅建筑結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的優(yōu)化

高層住宅建筑結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計能夠確保在高層使用后，在合理使用的壽命期限里，應(yīng)該滿足居住者的使用要求。一般情況下，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，最理想的是能夠做到造價低廉和節(jié)約材料，然而最近幾年來，人們的生活水平得到很大的提高，對生活質(zhì)量的要求越來越高，加上在實際的工程中，由于一些使用要求、技術(shù)指標(biāo)等成為了設(shè)計中的主要矛盾時，設(shè)計方案就無法單純的追求節(jié)省經(jīng)濟(jì)。因此，在高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計以優(yōu)化為目標(biāo)時，應(yīng)該要正確了解掌握設(shè)計中關(guān)鍵性的問題，主次分明的對目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計的優(yōu)化，使之能夠達(dá)到整體滿意的效果。

3.4高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計的優(yōu)化

進(jìn)行圖紙的設(shè)計時，應(yīng)該按抗震設(shè)防進(jìn)行分類，抗震等級要依照具體的建筑高度、結(jié)構(gòu)類型以國家頒布的《抗震規(guī)范》為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。在建筑中可以不考慮地震震力的振型數(shù)據(jù)耦聯(lián)扭轉(zhuǎn)的計算;當(dāng)振型數(shù)據(jù)gt;3時，要以3的整數(shù)倍進(jìn)行計算，但是數(shù)據(jù)必須小于建筑物的層數(shù);當(dāng)建筑物的層數(shù)低于2層時，振型數(shù)可以采用建筑物的層數(shù)。但是在房屋結(jié)構(gòu)不規(guī)則時，就要對扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)進(jìn)行考慮，高層住宅建筑的振型數(shù)不能低于8，建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)多、剛度系數(shù)大，就應(yīng)該多要振型數(shù)，才能達(dá)到更好的抗震效果。

3.5結(jié)構(gòu)設(shè)計要注重細(xì)節(jié)的優(yōu)化

在設(shè)計過程中，不僅要注重整體結(jié)構(gòu)，也要注重局部構(gòu)件。澆板設(shè)計可以把異形板細(xì)分成矩形板，能夠使受力更加均勻，同時也防止發(fā)生拐角裂縫。在建筑底部的梁箍筋使用的配箍量相當(dāng)較大，因此箍筋采用冷軋帶肋的鋼筋，不僅可以減少箍筋直徑和肢數(shù)，還能節(jié)約工程造價。當(dāng)高層住宅建筑的結(jié)構(gòu)不規(guī)則縱向時，特別要仔細(xì)計算出最薄弱的位置加以優(yōu)化。

4.結(jié)語

隨著不斷加快的城市化進(jìn)程，越來越緊張的城市建設(shè)用地，城市住宅建筑大多朝向超高層和高層發(fā)展，以提高用地效率，這也更高的要求建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。因而我們廣大建筑設(shè)計人員應(yīng)熟悉相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條文以及建筑設(shè)計規(guī)范，熟練掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)要點，合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，提高建筑的結(jié)構(gòu)安全性，降低設(shè)計成本，為社會創(chuàng)造出更多的高層建筑精品。

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