高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題分析

辛明華

摘要：高層建筑對(duì)于我國基本國情而言科學(xué)合理且切合適宜，但高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決不容許出現(xiàn)任何錯(cuò)誤或遺漏。因高層建筑中零星半點(diǎn)的不安全因素，一旦引發(fā)事故，必定會(huì)釀制極其嚴(yán)重的惡果。故此，應(yīng)當(dāng)深入研究、籌劃并不斷改進(jìn)、革新、完善高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)。本文首先概述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，然后分析研究了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常用結(jié)構(gòu)，高層建筑在節(jié)約城市用地面積、節(jié)省市政投資等諸多方面發(fā)揮著極其重要的作用。

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

一、高層建筑的特點(diǎn)

1.在相同的建設(shè)場(chǎng)地中，建造高層建筑可以獲得更多的建筑面積，這樣可以部分解決城市用地緊張和地價(jià)高漲的問題。設(shè)計(jì)精美的高層建筑還可以為城市增加景觀，如馬來西亞首都的石油大廈和上海的金茂大廈等。但高層建筑太多、太密集也會(huì)對(duì)城市帶來熱島效應(yīng)，玻璃幕墻過多的高層建筑群還可能造成光污染現(xiàn)象。

2.在建筑面積與建設(shè)場(chǎng)地面積相同比值的情況下，建造高層建筑比多層建筑能夠提供更多的空閑地面，將這些空閑地面用作綠化和休息場(chǎng)地，有利于美化環(huán)境，并帶來更充足的日照、采光和通風(fēng)效果。例如在新加坡的新建居住區(qū)中，由于建造了高層建筑群，留下了更多地面空間，可以更好地建設(shè)城市綠化和人們休閑活動(dòng)空間。

3.高層建筑中的豎向交通一般由電梯來完成，這樣就會(huì)增加建筑物的造價(jià)，從建筑防火的角度看，高層筑的防火要求要高于中低層建筑，也會(huì)增加高層建筑的工程造價(jià)和運(yùn)行成本。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

高層建筑顧名思義即指超過了一定高度或?qū)訑?shù)的建筑物。各國對(duì)于高層建筑的定義各不相同，均以本國人口與土地面積為基準(zhǔn)而定量。目前，我國《民用建筑設(shè)計(jì)通則》將十層以及十層以上、大于 24 米且小于 100 米的民用建筑劃分為高層建筑。在傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于建筑的高度有限，因此無需過多考慮建筑物本身的重量對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。然而在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，受到建筑本身高度和重力的作用，建筑本身所受的軸向力大大增加，同時(shí)軸向形變明顯，使得高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力特點(diǎn)發(fā)生了顯著的改變，如果單純的按照以往的設(shè)計(jì)思路，將會(huì)導(dǎo)致高層建筑在使用中因受力問題而發(fā)生病害，降低高層建筑的使用壽命，威脅高層建筑的使用安全。為此，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮到軸向形變的對(duì)建筑結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的影響。但是在實(shí)際施工的過程中，高層建筑的所受的垂直荷載是隨著建筑高度的提升而逐層施加的，因此不得簡(jiǎn)單的按照一次加載的情況加以考慮，而必須進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，以防止出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際狀況不吻合的情況，避免因設(shè)計(jì)失誤給高層建筑的施工質(zhì)量造成不利的影響，從而威脅到使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全。例如，在高層建筑中，與剪力墻與筒體相鄰的上層框架柱會(huì)在垂直荷載的作用下在結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力，而上層框架梁則會(huì)出現(xiàn)過彎距和剪力。此外，隨著樓層的不斷遞增，建筑物所受的水平荷載也會(huì)進(jìn)一步增大，導(dǎo)致建筑物的側(cè)向形變明顯增大。為了提高高層建筑的工程質(zhì)量，延長(zhǎng)高層建筑的使用壽命，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循一定的設(shè)計(jì)原則。首先，高層建筑的水平荷載是決定高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要素。高層建筑水平荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩與建筑物高度的平方呈正比關(guān)系，決定了高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)在很大程度上受到建筑水平荷載的影響。其次，高層建筑的軸向變形是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的另一因素。高層建筑的垂直荷載較大，能夠引起建筑的軸向形變，從而對(duì)下層的構(gòu)建產(chǎn)生作用，影響預(yù)制構(gòu)建的長(zhǎng)度。再次，高層建筑的側(cè)向位移在水平荷載的作用下，隨著建筑物高度的增加俄日迅速增大，其變化與建筑高度的四次方成正比，如果得不到有效的控制，將會(huì)嚴(yán)重威脅高層建筑的使用安全。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常用結(jié)構(gòu)

1.框架—剪力墻體系

框架—剪力墻體系是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的受力結(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)框架式結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度較為有限，不能滿足高層建筑的設(shè)計(jì)要求，因此，需要在建筑內(nèi)部恰當(dāng)?shù)奈恢檬褂眉袅硖娲鷳T用的框架，形成框架—剪力墻體系，以提高建筑結(jié)構(gòu)對(duì)水平荷載和垂直荷載的承受能力，保證高層建筑的使用安全。當(dāng)建筑承受水平方向的作用力時(shí)，框架與剪力墻的復(fù)合結(jié)構(gòu)通過樓板與連梁形成統(tǒng)一的受力體系，大大提高了自身的剛度。而當(dāng)該體系承受垂直荷載時(shí)，框架結(jié)構(gòu)便會(huì)發(fā)揮其作用，保障高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?？梢哉f，剪力墻的應(yīng)用大大提高了高層建筑的側(cè)向剛度，有效的限制了高層建筑的水平位移，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占據(jù)著十分關(guān)鍵的地位。框架—剪力墻體系的計(jì)算方法種類較多，但是在綜合考慮計(jì)算難度與結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，通常采用連梁連續(xù)化假定的方法進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)框架及剪力墻的受力特點(diǎn)進(jìn)行解答，為高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供充足的依據(jù)。

2.剪力墻體系

剪力墻不僅可以應(yīng)用在框架—剪力墻體系中，同樣也可以作為單獨(dú)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，形成剪力墻體系。剪力墻的強(qiáng)度與剛度的水平較高，具有一定的延性，在承受作用力時(shí)，可以將力均勻傳導(dǎo)至墻體的各個(gè)部分，整體性較強(qiáng)，因而有著良好的抗倒塌能力，其能建高度要大于框架以及框架—剪力墻體系。但是剪力墻的種類較多，根據(jù)類型的不同，其受力的特點(diǎn)也有著一定的變化，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用平面有限單元法對(duì)剪力墻的受力進(jìn)行計(jì)算，以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，保證高層建筑的使用安全。

3.筒體體系

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，筒體體系不僅可以單獨(dú)作為受力結(jié)構(gòu)而存在，也能夠由框架體系與剪力墻體系組成，形成種類豐富、功能各異的筒體體系。作為空間受力構(gòu)件，筒體具有極大的剛度與強(qiáng)度，并能夠根據(jù)設(shè)計(jì)的需要靈活的進(jìn)行組合，既可以作為單個(gè)筒體獨(dú)立使用，也可以形成多筒體結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)外界的作用力。將筒體體系應(yīng)用在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以明顯提高建筑的抗風(fēng)、抗震能力，保障高層建筑的使用安全。在對(duì)筒體體系進(jìn)行計(jì)算時(shí)，常用的方法包括三維空間分析法、等效連續(xù)化法以及等效離散化法，

四、結(jié)束語

隨著時(shí)代的發(fā)展，世界人口迅速增多，文明建設(shè)水平突飛猛進(jìn)，既可以節(jié)約城市用地面積，又能夠減少市政投資，還在某種程度上加速了城市化建設(shè)的高層建筑已被廣泛采納與應(yīng)用。然而，高層建筑遠(yuǎn)非僅僅加高建筑層數(shù)那么簡(jiǎn)單，有必要深入研究包括高層建筑在內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將質(zhì)量安全置于建筑的首位。

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