高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題及對策分析

吳劍寒

摘要：隨著城市化發(fā)展以及建筑用地的緊張，高層建筑將日益增多。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅應(yīng)保證高層建筑具有足夠的安全性，還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、合理性。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題進行探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑;高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計;問題

我國經(jīng)濟取得了快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)腳步也在不停加快，兩者全面推動了我國建筑行業(yè)的發(fā)展，也使我國建筑逐漸從低層、散分布向著高層、密集分布發(fā)展。相對于低層建筑而言，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計也變得越來越復(fù)雜，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度越來越高，給我建筑企業(yè)的設(shè)計工作帶來了不小的挑戰(zhàn)。一直以來，由于受到建筑行業(yè)一直飛速發(fā)展的影響，我我國建筑企業(yè)為了能夠快速占領(lǐng)市場，幾乎將全部的發(fā)展精力都放在了企業(yè)經(jīng)營規(guī)模的擴大上，對建筑工程的管理和設(shè)計工作卻沒有引起足夠的重視。

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)計的特點

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設(shè)置、施工技術(shù)的要求、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有;

2.1水平力是設(shè)計主要因素

在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑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，僅與建筑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)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，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)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化。

2.2側(cè)移成為控制指標(biāo)

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(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)。

2.3抗震設(shè)計要求更高

有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

2.4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，跨中正彎矩之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，會得出偏于不安壘的結(jié)果。

2.5結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標(biāo)

相對于較低樓房而言，高樓結(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)體系的選型

建筑的結(jié)構(gòu)在抵抗來自于水平方向和豎直方向的荷載時構(gòu)件的組成形式和傳力的路徑就是高層建筑的結(jié)構(gòu)體系。通過包括墻，柱等的豎向構(gòu)件和樓蓋等水平構(gòu)件將豎向荷載傳遞到基礎(chǔ)，利用抗側(cè)力體系將水平荷載傳遞到基礎(chǔ)。根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的材料將高層建筑的結(jié)構(gòu)體系分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，鋼結(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。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系被廣泛的應(yīng)用在各類的工程結(jié)構(gòu)中，具有混凝土和鋼筋兩種材料的協(xié)同受力性能特征，造價低廉，耐久耐火，成本低，整體性能優(yōu)良，但存在著自重大，延性差，施工慢等缺點;鋼結(jié)構(gòu)體系的強度高，抗震性能比較好，施工方便，跨度大，用途多，但是存在著費用高，防火性能差，施工復(fù)雜等不足;鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋混凝土構(gòu)件和鋼構(gòu)件的長處，不但增加了鋼構(gòu)件的材料強度，同時具有較高的抗震性能，成本低廉，然而這兩種材料構(gòu)件的連接技術(shù)還存在著不足;鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有承載能力高，抗震性能強。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可以將高層建筑結(jié)構(gòu)分為框架結(jié)構(gòu)體系，剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。利用柱，梁等結(jié)構(gòu)體系作為高層建筑豎向承重的結(jié)構(gòu)，并且承受水平荷載，這種結(jié)構(gòu)側(cè)向位移大，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力大，適于50m高度以下的建筑;通過高層建筑的墻體當(dāng)做抵抗側(cè)力和豎向承重的結(jié)構(gòu)體系，就是剪力墻結(jié)構(gòu)體系。這種剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度大，整體性能好，不易受水平力作用發(fā)生變形，適應(yīng)于高層建筑，但是由于剪力墻的間距小，使得平面的布置不靈活，因此，在公共建筑中不宜使用;利用框架和剪力墻組合的而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)形式就是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)形式不但具有實用性強，布局靈活的優(yōu)點，同時承受水平負載的能力更高，在高層建筑中被廣泛使用。在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，需要注意考慮剪力墻的位置，設(shè)計合理的剪力墻的數(shù)量，以及滿足框架的設(shè)計要求。

4高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析及對策

4.1高層建筑結(jié)構(gòu)存在著超高的問題

基于高層建筑抗震的要求，我國的建筑規(guī)范對高層建筑的結(jié)構(gòu)的高度有嚴(yán)格的規(guī)定，針對高層建筑的超高問題，在新規(guī)范中不但把原來限制的高度規(guī)定為A級高度，并且增加了B級高度，使得高層建筑結(jié)構(gòu)處理設(shè)計方法和措施都有了改進。實際工程設(shè)計中，對于建筑結(jié)構(gòu)類型的改變對高層超高問題的忽略，在施工審圖時將不予通過，應(yīng)該重新進行設(shè)計或者進行專家會議的論證等。在這種情況下，整個建筑工程的造價和工期都會受到極大的影響。

4.2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計短肢剪力墻設(shè)置

我國建筑新規(guī)范中，短肢剪力墻是指墻肢的截面的高度和厚度比在5～8的墻，按照實際經(jīng)驗以及數(shù)據(jù)，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加了對短肢剪力墻的使用限制。所以，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須盡可能的減少或者避免使用短肢剪力墻。

4.3高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計嵌固端的設(shè)置

一般情況下，高層建筑配有兩層或者兩層以上的地下室或者人防。高層建筑的嵌固端一般設(shè)置在地下室的頂板或者人防的頂板等位置。因此，結(jié)構(gòu)工程設(shè)計人員應(yīng)該考慮嵌固端設(shè)置會可能帶來的問題?？紤]嵌固端的樓板的設(shè)計;綜合分析嵌固端上層和下層的剛度比，并且要求嵌固端上層和下層的抗震的等級是一致的;高層建筑的整體計算時充分考慮嵌固端的設(shè)置，綜合分析嵌固端位置和高層建筑結(jié)構(gòu)抗震縫隙設(shè)置的協(xié)調(diào)。

4.4高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

在關(guān)于高層建筑的新規(guī)范中，對于高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性做出了很多限制，比如規(guī)定了結(jié)構(gòu)嵌固端上層和下層的剛度比，平面規(guī)則性等等，并且硬性規(guī)定了“高層建筑不能采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案?！币虼?，為了避免后期施工設(shè)計階段的改動，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須嚴(yán)格遵循規(guī)范的限制條件。

5結(jié)束語

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項綜合性的技術(shù)工作，對于建筑的設(shè)計有著非常重要的作用和意義。隨著我國高層建筑的不斷發(fā)展，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求越來越高，分析了高層建筑的結(jié)構(gòu)特征，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則，闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型問題，并重點分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及對策，可以為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考和依據(jù)。

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