高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)鍵技術(shù)問題分析與研究

宋可加

西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610000

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快以及對高層、超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的研究日益完善，使得高層、超高層建筑得迅猛發(fā)展。

1885年美國芝加哥土木工程師詹尼，設(shè)計并建造了共10層、高55m的芝加哥國內(nèi)保險公司大樓，開啟了高層建筑修建之先河，隨后高層、超高層建筑在世界各國增長迅速，其中許多高層建筑已成為城市標(biāo)志，如紐約帝國大廈（1931年，高381m，102層）、芝加哥西爾斯大廈（1974年，高443m，110層)、臺北101大樓（2003年，高508m，101層）。目前，我國正處于高層建筑迅速發(fā)展時期，建造數(shù)量與日俱增，建筑高度記錄不斷被更新，其中以上海的環(huán)球金融中心、金茂大廈，廣州的中信廣場等最具代表性。高層建筑的出現(xiàn)，不僅改變了城市的建筑格局和人們的居住模式，還在一定程度上反映出科學(xué)技術(shù)與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平。

1 常用高層建筑結(jié)構(gòu)體系受力特點分析比較

1.1 框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)體系它是由基礎(chǔ)、樓板、柱、梁這4種承重構(gòu)件所組成的。基礎(chǔ)、柱和梁一起構(gòu)成平面框架是主要的承重結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活，可形成較大的建筑空間，建筑立面處理也較方便；整體性、抗震性能好，具有較好的塑性變形能力。

但是，框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度小，當(dāng)層數(shù)過多時，會產(chǎn)生過大的側(cè)移，從而差限制了框架結(jié)構(gòu)的建造高度。

1.2 框架一剪力墻結(jié)構(gòu)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中通常采用的是框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，即把框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)共同組合在一起形成的結(jié)構(gòu)體系，豎向荷載由框架和剪力墻等豎向承重單體共同承擔(dān)，水平荷載則主要由剪力墻這一具有較大剛度的抗側(cè)力單元來承擔(dān)。剪力墻的設(shè)置，大幅增加了高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，使其水平側(cè)向位移大幅減小；同時，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作使各層層間變形趨于均勻，所以框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系的建筑能建高度要顯著高于框架結(jié)構(gòu)。

1.3 剪力墻結(jié)構(gòu)

由墻體承受全部水平作用和豎向荷載的結(jié)構(gòu)體系稱為剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系屬于明顯的剛性結(jié)構(gòu)，且傳力均勻、直接。其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度都相對較高，但同時也具有一定的延性。結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)、地震作用等水平大荷載作用下，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移能有效控制，具有良好的結(jié)構(gòu)整體性能，抗倒塌能力強(qiáng)，其能建高度大幅高于框架或框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

1.4 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)體系由筒體為主的結(jié)構(gòu)稱為筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)體系的高層建筑結(jié)構(gòu)具有非常大的強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)體系中各構(gòu)件的受力分配合理，抗風(fēng)、抗震性能相對框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，往往應(yīng)用于大空間、大跨度要求的高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 水平荷載相對于豎向荷載顯得更為重要

結(jié)構(gòu)需同時承受豎向和水平荷載，低層結(jié)構(gòu)以抵抗重力為代表的豎向荷載為主，而水平荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力、側(cè)向位移很小。對高層結(jié)構(gòu)來說，隨著建筑高度的增加，水平荷載隨建筑高度的增高迅速增大。如把建筑物視作一簡單的豎向懸臂構(gòu)件，構(gòu)件中由豎向荷載產(chǎn)生的軸力與高度（H）成正比；水平作用產(chǎn)生的彎矩與高度（H）的平方成正比；水平作用產(chǎn)生的側(cè)向位移則與高度（H）的四次方成正比。對某一高度確定的建筑，結(jié)構(gòu)豎向荷載的大小基本穩(wěn)定，而水平方向上風(fēng)載和地震作用的數(shù)值大小往往會隨高層建筑結(jié)構(gòu)的動力特性不同而存在較大幅度的變化。可見，水平荷載對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響大，側(cè)向位移成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制目標(biāo)之一。

2.2 控制結(jié)構(gòu)側(cè)移是關(guān)鍵因素

與低層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計不同，高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移是其結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的關(guān)鍵決定性因素。隨著建筑高度的不斷增加，水平側(cè)向荷載下的結(jié)構(gòu)側(cè)移變形會快速增大。側(cè)向位移過大將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，特別是對豎向構(gòu)件，附加偏心力超過一定限值時，將會引起整個結(jié)構(gòu)的倒塌破壞；同時，在風(fēng)荷載作用下，如果側(cè)向位移過大，將會引起居住者工作者的不適，在地震作用下，如果側(cè)向位移過大，更會讓人感到不安和驚慌。

2.3 結(jié)構(gòu)軸向變形的影響顯著

對于高層建筑結(jié)構(gòu)，由于層數(shù)多、高度高，軸力很大，從而沿高度逐漸積累的軸 向變形很顯著高層建筑結(jié)構(gòu)中，一般豎向荷載的數(shù)值較大，在柱中會引起較大范圍的軸向壓縮變形，對結(jié)構(gòu)體系中的連續(xù)梁彎矩大小產(chǎn)生顯著影響。高層建筑的軸向變形的差異會達(dá)到一個比較大的數(shù)值，從而引起跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大，連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小。

2.4 結(jié)構(gòu)延性的重要性

高層建筑相對于低層或是多層建筑來說結(jié)構(gòu)更柔一些，受到地震的影響后，結(jié)構(gòu)變化更大一些。所以采取恰當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性，使結(jié)構(gòu)在塑性變形階段仍然具有較強(qiáng)的變形能力。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法簡介

3.1 計算分析基本假定

高層建筑結(jié)構(gòu)要完全精確地分析三維空間結(jié)構(gòu)是十分困難的。需要通過各種分析方法對計算模型進(jìn)行不同程度的簡化。以下是一些常見的假定：

1）彈性假定

目前實用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法都是使用的彈性計算方法。這一假定符合建筑結(jié)構(gòu)的工作狀況，因為在一般風(fēng)力作用下，建筑結(jié)構(gòu)一般都處于彈性工作階段。

2）小變形假定

小變形假定也是各種高層建筑結(jié)構(gòu)實用分析方法中普遍采用的基本假定。對幾何非線性問題的研究認(rèn)為∶當(dāng)頂點水平位移與建筑物高度的比值大于1/500的時候，就必須重視幾何非線性問題的影響。

3）剛性樓板假定

剛性樓板假定在對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的時候，一般假定樓板自身平面內(nèi)的剛度是無限大的，平面外的剛度則為零。這就簡化了計算方法，減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度。

3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)受力分析方法

1）框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑內(nèi)力與位移的計算分析，大都采用連梁連續(xù)化假定。可由框架結(jié)構(gòu)與剪力墻水平位移或轉(zhuǎn)角相等的位移協(xié)調(diào)條件，建立位移與外荷載之間關(guān)系的微分方程進(jìn)行求解。

2）剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特性與變形主要取決于墻體的開洞情況。單片剪力墻按其受力特性的不同，可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻等各種類型，不同類型的剪力墻結(jié)構(gòu)其截面應(yīng)力分布的規(guī)律也不相同，計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形位移時需采用相對應(yīng)的計算方法。

3）按照對計算模型處理的手法不同，筒體結(jié)構(gòu)的實用分析方法通常可分為：等效連續(xù)化法、等效離散化法和三維空間分析法。等效連續(xù)化方法的具體應(yīng)用包括有連續(xù)化微分方程求解法、有限單元法、能量法等；等效離散化方法則包括等代角柱法、核心筒的框架分析法等；相對于等效連續(xù)化方法和等效離散化方法的筒體結(jié)構(gòu)計算模型，完全按三維空間結(jié)構(gòu)建立計算模型來分析筒體結(jié)構(gòu)體系的受力性能更為精確。三維空間分析法將高層筒體建筑結(jié)構(gòu)體系看作是由若干個空間梁單元、空間柱單元和薄壁柱單元組合而成的空間桿系結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計算分析，更符合受力結(jié)構(gòu)體系的實際工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

由于城市人口密度大，用地緊張，高層建筑依然是未來的趨勢，建筑的體型將更加復(fù)雜多樣。追求更具創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)形式，建立更加合理的力學(xué)模型也是土木工作者努力的目標(biāo)和方向。

[1]國家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011-2008.

[2]周軍，杜宏彪，蔡龍.框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系概念化設(shè)計問題[J].山西建筑，2009(1).

[3]方鴻強(qiáng)，伊新富.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計[J].浙江建筑，2001(1).