關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵性問(wèn)題的探討

彭 寧

（上海三益建筑設(shè)計(jì)有限公司， 上海 200050）

高層建筑的房屋高度和結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展是和科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、材料科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)的，隨著城市形象和土地使用要求以及我國(guó)對(duì)高層建筑關(guān)鍵性技術(shù)的控制能力，高層建筑已十分常見(jiàn)，使得高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題逐漸引起人們的重視。隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，高層建筑逐漸成為現(xiàn)代建筑的主角，人們?cè)诟邔咏ㄖO(shè)計(jì)方面需要作出巨大的思考和突破，研究高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在的問(wèn)題，并將問(wèn)題盡快解決是關(guān)鍵。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就變得尤為重要，因?yàn)槠渲苯佑绊懼邔咏ㄖ锏馁|(zhì)量、使用和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

高層建筑與低層、多層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)即有共同點(diǎn)，也是有區(qū)別的。無(wú)論高層還是多層就是都要抵抗由恒、活荷載產(chǎn)生的豎向作用及風(fēng)、地震荷載產(chǎn)生的水平作用，有時(shí)也需要抵抗基礎(chǔ)不均勻沉降、溫度荷載等產(chǎn)生的內(nèi)力；但是當(dāng)把建筑看作是嵌固在地面的剛度和質(zhì)量均有的懸臂梁模型分析時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)軸力與建筑高度為一次方關(guān)系， 彎矩與建筑高度是二次方關(guān)系，主要控制指標(biāo)結(jié)構(gòu)水平位移與建筑高度卻成四次方關(guān)系；另外從用鋼量和建筑高度的關(guān)系看，用鋼量在豎向荷載作用下與建筑高度基本為線性關(guān)系，但水平荷載作用下，用鋼量的增加速度往往超過(guò)建筑高度的增加速度，是非線性的， 所以低、多層建筑主要抵抗豎向荷載作用，但隨著建筑高度的增加，高層建筑、超高層建筑水平荷載比豎向荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響更明顯，也成為主要控制因素，這是高層建筑最顯著的特點(diǎn)。

2 高層建筑荷載及作用分析及探討

2.1 豎向荷載的分析及探討

根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)分析，高層建筑豎向荷載不是主要控制因素，但一方面為了能夠提供足夠抵抗水平荷載作用的抗側(cè)剛度，另一方面層數(shù)增加，相應(yīng)樓面恒荷載也增加，豎向抗側(cè)構(gòu)件柱、墻等要承擔(dān)的樓面恒荷載的比例往往達(dá)到所承擔(dān)荷載的25%左右，構(gòu)件尺寸比較大，自重所占的比例也增加，所以對(duì)樓面恒荷載的優(yōu)化是有必要的。可以通過(guò)采取高強(qiáng)度鋼筋、鋼材和混凝土等材料、輕質(zhì)填充墻、采用抗震性能更好而自重更輕的鋼結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)體系等方法降低自重的影響，這樣對(duì)減少地震作用也是非常有利的。

2.2 水平荷載的分析及探討

風(fēng)荷載是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中主要考慮的水平荷載之一，它同地震作用一樣，雖然是動(dòng)力荷載，但從對(duì)風(fēng)荷載研究的局限性、經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的操作性等因素考慮，目前規(guī)范都是將風(fēng)荷載簡(jiǎn)化為靜力等效荷載進(jìn)行考慮，對(duì)于一般高層建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下滿足此種等效是可靠的，但對(duì)于一些高柔結(jié)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定臨界值時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣流渦旋脫落現(xiàn)象，對(duì)建筑產(chǎn)生橫向風(fēng)陣造成渦激振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及使用是極為不利的，所以需要在建筑方案前期通過(guò)平滑建筑平面（如倒角、切角）、沿高度改變建筑形狀等方式減少橫向風(fēng)陣荷載。另外在進(jìn)行風(fēng)荷載設(shè)計(jì)時(shí)，還需要注意建筑表面局部構(gòu)件風(fēng)壓的不均勻、風(fēng)壓局部增大的情況。

地震作用是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中另一重要水平作用，目前有擬靜力法和直接動(dòng)力法兩種分析設(shè)計(jì)方法。擬靜力法用于多數(shù)低、多層建筑和比較規(guī)則的高層建筑，但對(duì)于復(fù)雜、重要、特別不規(guī)則的建筑需要采取直接動(dòng)力法進(jìn)行進(jìn)行補(bǔ)充分析。根據(jù)對(duì)高層建筑自振周期的統(tǒng)計(jì)表明，高層建筑的自振周期多數(shù)在3.0S～5.0S 之間，由《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中地震影響系數(shù)曲線可知，均處于速度控制段和位移控制段，隨著結(jié)構(gòu)自振周期的增加，其水平地震作用隨之減小。故對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，在滿足結(jié)構(gòu)正常使用對(duì)舒適性要求的前提下，可適當(dāng)增加第一自振周期，降低結(jié)構(gòu)剛度，對(duì)減少地震作用是有利的，也是經(jīng)濟(jì)合理的。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問(wèn)題探討

3.1 高層建筑的超高引起的建筑高寬比問(wèn)題探討

隨著我國(guó)建筑物高度的不斷增加，高度超限問(wèn)題是目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍存在的問(wèn)題，通常高層建筑由于建筑場(chǎng)地及建筑功能的限制，建筑平面尺寸一般不大，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.3.2 條對(duì)建筑的高寬比限值進(jìn)行了規(guī)定，這就使得建筑的高度和寬度的比成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的重要指標(biāo)和控制性因素。主要控制指標(biāo)建筑位移與建筑寬度的三次方成反比，與建筑高度的四次方成正比，底部?jī)A覆力矩是建筑高度的二次方，所以增加建筑寬度，減少建筑高度，控制高寬比對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性的提高是非常有利的。當(dāng)建筑高寬比無(wú)法改變的情況下，當(dāng)高寬比不大于2 時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)為剪切變形，此時(shí)建議增加剪力墻抗側(cè)構(gòu)件的作用；當(dāng)高寬比為2～5 時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)為彎剪變形，此時(shí)建議平衡框架和剪力墻之間的比例，適當(dāng)加大外圍框架的作用；當(dāng)高寬比大于5 時(shí)，結(jié)構(gòu)為彎曲變形，此時(shí)需要增加外圍框架的剛度，通過(guò)外圍框架剪切變形來(lái)協(xié)調(diào)剪力墻彎曲變形頂部位移大所帶來(lái)的影響。

3.2 高層建筑的筒體高寬比及筒體面積比的問(wèn)題探討

高層建筑結(jié)構(gòu)體系通常為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系或支撐框筒結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第9.2.1 條，提出禾行通的寬度不宜小于筒體高度的1/12，對(duì)于常規(guī)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，大部分剪力和地震傾覆力矩由核心筒成大，所以核心筒寬度的選擇是非常重要的。

另外根據(jù)大量高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析表明，當(dāng)筒體面積不大于樓板面積的20%時(shí)，表明筒體抗側(cè)剛度偏弱，需要加強(qiáng)外圍框架的作用；當(dāng)此比值為20%～27%之間時(shí)，表明筒體的抗側(cè)剛度是比較合理的；當(dāng)此比值大于27%時(shí)，表明筒體過(guò)剛，此時(shí)筒體所承擔(dān)的傾覆力矩和地震剪力比例過(guò)大，需要加強(qiáng)核心筒的性能化分析，加強(qiáng)除核心筒之外的抗側(cè)構(gòu)件的抗側(cè)作用，從而做到二道防線的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)。

3.3 解決高層建筑抗側(cè)剛度不足的問(wèn)題探討

隨著建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度與結(jié)構(gòu)各項(xiàng)控制指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性更加密切相關(guān)。通常高層建筑為框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系，此結(jié)構(gòu)體系外圍框架抗側(cè)剛度比較弱，抗側(cè)剛度不足，而核心筒還需要承擔(dān)較大的剪力和傾覆力矩，筒體負(fù)擔(dān)過(guò)重，如何才能增強(qiáng)筒體與外框筒之間共同作用，增加增加結(jié)構(gòu)整體的抗彎剛度是必須探討的問(wèn)題。在外圍框架柱間距無(wú)法減小，外圍框架梁無(wú)法增大的情況下，當(dāng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度相差較多時(shí)，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常采取伸臂桁架來(lái)增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度是一種有效的解決方式，但也有經(jīng)濟(jì)性差，對(duì)建筑功能影響較大的缺陷。當(dāng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度相差不多時(shí)，建議采取環(huán)帶桁架進(jìn)行解決，這樣環(huán)帶桁架同樓層板共同形成虛擬伸臂桁架，起到一定伸臂桁架的作用，但環(huán)帶桁架僅在局部樓層外框架間設(shè)置，對(duì)建筑功能影響較小，經(jīng)濟(jì)性也比較合理。

3.4 高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問(wèn)題

在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)中，最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)就是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問(wèn)題，這是因?yàn)楦邔咏ㄖ锼艿降母鞣N各樣的荷載都需要通過(guò)基礎(chǔ)后再傳至到地基，即基礎(chǔ)起到一個(gè)“承上啟下”的作用。高層建筑的特點(diǎn)是層數(shù)較多，上部載荷較為集中并且較大，因此基礎(chǔ)必須埋置足夠的深度，其埋置深度必須要滿足于地基穩(wěn)定和變形的相關(guān)要求，這樣做才能提高建筑物的抗震性能，防止建筑物出現(xiàn)坍塌、傾斜的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，建筑行業(yè)得到空前的發(fā)展和提高，隨之而來(lái)的高層建筑的數(shù)量越來(lái)越多，其高層建筑的安全問(wèn)題已經(jīng)受到了大部分人的重視。然而高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與建筑本身的安全和質(zhì)量有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系，為此，設(shè)計(jì)人員不但要明確高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且還要在熟悉可能使用的結(jié)構(gòu)體系類型的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，比如選擇比較適合的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，合適的高寬比和合適的筒體面積比等，與此同時(shí)，還要加強(qiáng)地震荷載的計(jì)算和重力載荷的計(jì)算，這樣不僅保持了結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，又提高了抗震性能，因而高層建筑的整體質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性得到了有效地提高。同時(shí)，在面對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)這一關(guān)鍵性問(wèn)題時(shí)，相關(guān)研究人員要投入大量資金，加大對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，還要加強(qiáng)對(duì)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)，從而促進(jìn)我國(guó)高層建筑行業(yè)向著又好又快的方向發(fā)展。