高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題探討

張學(xué)進(jìn)　周宏倫

【摘要】本文針對高層建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計，首先概述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點以及設(shè)計原則，進(jìn)而詳細(xì)介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型設(shè)計，可以為相關(guān)人員熟悉了解高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供合理的參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；體系；選型

【Abstract】In this paper， high-rise building structural system design begins with an overview of the high-rise building structural design characteristics and design principles， and then details the design of high-rise building structural system selection， you can become familiar with the relevant personnel to provide reasonable structural design of high-rise buildings of reference.

【Key words】High-rise buildings； structural design； system； Selection

1. 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快以及城市建設(shè)用地的日趨緊張，高層建筑在城市建設(shè)過程中日益增多，已經(jīng)成為大中型城市的主流建筑形式。高層建筑結(jié)構(gòu)功能的多樣化與復(fù)雜性對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求，提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案質(zhì)量，確保高層建筑設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)合理與安全可靠，已經(jīng)成為高層建筑設(shè)計的核心理念，這也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中所必須恪守的基本原則。

2. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

（1）水平荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要影響因素。多層建筑以及低層建筑大多以豎向荷載作為結(jié)構(gòu)設(shè)計控制指標(biāo)，然而對于高層建筑，由于樓層較多而且層高超過24m，因此雖然豎向荷載對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計有著重要的影響，但是直接影響高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載是水平荷載。高層建筑由于水平荷載作用對于自身結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的傾覆力矩以及在豎向構(gòu)件中產(chǎn)生的軸力，與高層建筑的樓高呈平方關(guān)系，而且風(fēng)荷載以及地震荷載等水平荷載等對于建筑的影響與高層建筑的結(jié)構(gòu)動力性也有著直接的關(guān)系。

（2）必須全面考慮軸向變形的影響。對于低層以及多層建筑而言，由于軸力作用的影響很小，因而在設(shè)計過程中只需考慮彎矩項。但是對于高層建筑而言，由于樓層高度較大，因而會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系中軸力較大，而且隨著高層建筑的高度不斷積累軸向變形，軸向變形對于高層建筑的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值以及具體分布也會產(chǎn)生不同的影響。

（3）對于高層建筑的側(cè)移控制要求更為嚴(yán)格。高層建筑與多層建筑有很大的不同，隨著建筑高度的不斷增加，在水平荷載作用下的側(cè)向變形也會隨之增大。這就要求在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須充分考慮車道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及抗推剛度，將水平荷載作用產(chǎn)生的側(cè)向變形控制在合理的范圍內(nèi)，以免造成高層建筑結(jié)構(gòu)開裂或者是側(cè)傾的發(fā)生。

（4）完善高層建筑結(jié)構(gòu)延性的設(shè)計。對于高層建筑而言，由于結(jié)構(gòu)變形也更大，因此為了避免高層建筑在地震作用或者是水平荷載的作用下出現(xiàn)倒塌，必須在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采取相應(yīng)的措施，通過保證結(jié)構(gòu)的延性提高高層建筑的安全性。

3. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

（1）注重概念設(shè)計。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)該結(jié)合理論計算、試驗研究以及工程設(shè)計經(jīng)驗開展設(shè)計，對建筑結(jié)構(gòu)的總體布置以及細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行明確。

（2）高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型與布置必須合理，綜合考慮各種因素做好結(jié)構(gòu)體系選型，盡可能的避免由于高層建筑局部突變以及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)造成結(jié)構(gòu)體系中出現(xiàn)薄弱部位。

（3）結(jié)構(gòu)體系具有足夠的承載能力、剛度以及變形能力，對于結(jié)構(gòu)體系中的薄弱部位必須做好補(bǔ)強(qiáng)措施。

（4）在結(jié)構(gòu)體系的設(shè)置上應(yīng)該選擇抗震性能好、抗風(fēng)性能強(qiáng)而且經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系，并重點采用對抗震有利的結(jié)構(gòu)布置形式。

（5）高層建筑平面結(jié)構(gòu)以遵循簡單、規(guī)則、對稱的原則進(jìn)行布置，盡可能的減少偏心。控制高層建筑的平面長度以及突出部分長度，并盡可能避免采用角部重疊的平面圖形。

4. 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計選型

4.1依據(jù)建筑材料選型。

高層建筑結(jié)構(gòu)體系根據(jù)建筑材料的不同可以具體分為鋼結(jié)構(gòu)體系、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系以及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、構(gòu)件斷面小、抗震性能好以及施工快的優(yōu)點，但是同時也存在著用鋼量大、耐火性差、造價高等不利因素。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系由于融合鋼筋以及混凝土協(xié)同受力，因而鋼筋混凝土體系承載能力強(qiáng)、剛度大、耐火性以及耐久性強(qiáng)、抗震性能好，現(xiàn)階段在高層建筑工程設(shè)計中是使用最多的結(jié)構(gòu)體系形式，但是存在著構(gòu)件斷面積大、自重大、施工作業(yè)周期長以及延性較差的問題。鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)體系通過利用鋼筋混凝土作為剪力墻，鋼框架結(jié)構(gòu)依附其上承受荷載，因而結(jié)合了鋼筋混凝土以及鋼結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點，具有抗震性能強(qiáng)以及造價較低的優(yōu)點。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系則具有承載能力高、抗震性能好、耐火性能好以及施工作業(yè)周期短的優(yōu)點，但是由于節(jié)點構(gòu)造較為復(fù)雜，因而現(xiàn)階段主要用于小偏心受壓構(gòu)件。

4.2依據(jù)結(jié)構(gòu)形式選型。

高層建筑結(jié)構(gòu)體系根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可以分為框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、筒體結(jié)構(gòu)體系以及體系組合結(jié)構(gòu)。

（1）框架結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系的縱向以及橫向均由框架單一構(gòu)件組成，由于框架結(jié)構(gòu)體系水平剛度相對較小，承載能力不高，而且位移較大，因此主要適用于6～15層的高層建筑結(jié)構(gòu)體系。

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系的特點在于豎向承

重結(jié)構(gòu)均由一系列橫向或者是縱向的鋼筋混凝土剪力墻組成，作為一種剛性結(jié)構(gòu)體系，剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有水平剛度大、側(cè)位移小以及承載能力強(qiáng)的特點，主要適用于40層以下，高寬比小于6的高層建筑。

（3）筒體結(jié)構(gòu)體系。筒體結(jié)構(gòu)體系的特點在于由框架或者是剪力墻合圍成豎向井筒，并通過樓板將井筒四壁聯(lián)系起來，形成整體的空間構(gòu)架，筒體結(jié)構(gòu)形式相比框架體系或者是純剪力墻體系，具有更高的承載能力，能夠承受更大的水平荷載。筒體結(jié)構(gòu)由于將受力構(gòu)件集中設(shè)置，因而能夠創(chuàng)造更大的室內(nèi)空間，更適用于超高層建筑。

（4）框支剪力墻?？蛑Ъ袅χ饕抢每蚣苤С屑袅υ谙虏坎捎每蚣芙Y(jié)構(gòu)以滿足高層建筑的空間需求，由于這種結(jié)構(gòu)體系的上部剛度相對較大，而底部剛度較小，因此容易在結(jié)構(gòu)交接處易產(chǎn)生突變，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系設(shè)計中必須充分考慮剪力的向下傳遞。

（5）框架-剪力墻體系，主要是通過在框架中布置剪力墻，并設(shè)置使樓板與框架有可靠連接的結(jié)構(gòu)體系?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系的豎向荷載由剪力墻和框架承擔(dān)，水平荷載則主要是通過剪力墻承擔(dān)。框架-剪力墻體系由于結(jié)構(gòu)布置較為靈活，因而在高層建筑中的應(yīng)用也最為廣泛。

（6）框架-筒體體系?？蚣?筒體體系則是由筒體和框架共同組成受力體系的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)體系形式充分利用筒體結(jié)構(gòu)抗推力較強(qiáng)的特點，利用筒體作為抗側(cè)力構(gòu)件并主要承受水平荷載，框架結(jié)構(gòu)則主要承擔(dān)重力荷載。

（7）筒中筒結(jié)構(gòu)體系。筒中筒結(jié)構(gòu)體系主要是指由兩個或兩個以上的筒體內(nèi)外嵌套所組成的建筑結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系的特點在于具有較高的抗側(cè)力能力，而且高層建筑的內(nèi)部空間也相對較大，筒中筒結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計中應(yīng)該注意控制外筒開窗面積不宜超過50%，而且內(nèi)筒長寬均應(yīng)控制在小于外筒的1/3。

（8）束筒體系。束筒體系的結(jié)構(gòu)特點在于將若干個筒體并列，進(jìn)而形成完整的結(jié)構(gòu)體系。束筒抗彎能力、抗剪能力以及抗側(cè)移剛度均較好，而且由于每一個筒單元平面形式不盡相同，因而可以在不同的高度終止，對于高層建筑結(jié)構(gòu)完整性也沒有影響。

5. 結(jié)語

隨著高層建筑工程數(shù)量的不斷增加，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計項目也越來越多。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須明確高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，完善高層建筑的結(jié)構(gòu)選型以及結(jié)構(gòu)布置，在確保高層建筑使用功能以及結(jié)構(gòu)安全得到保障的基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，實現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理以及技術(shù)可行，進(jìn)而提高高層建筑工程項目建設(shè)的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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