淺談高層建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題

摘 要:近些年，隨著高層建筑迅速地發(fā)展，材料越來越高級，體型越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系越來越新穎，做好高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。論文首先闡述了當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)特征，幾結(jié)構(gòu)選型的影響因素，最后重點(diǎn)探討了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題。

關(guān)鍵詞:高層建筑 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 優(yōu)化

中圖分類號:TU97文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(b)-0036-01

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高層建筑設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)體系以及基礎(chǔ)形式等進(jìn)行比選和優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)既具有足夠的承載力、剛度和抗震性能等，又能提高材料的利用率，降低材料消耗，節(jié)約造價(jià)。論文重點(diǎn)針對高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。

1 高層建筑按結(jié)構(gòu)形式分類

我國的高層建筑以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)量、高度以及結(jié)構(gòu)體系的多樣化、復(fù)雜性均處于世界前列。在高度較大的高層建筑中，應(yīng)用較多的是框架-筒體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)及多筒結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系。

(1)框架結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)體系采用梁、柱組成的結(jié)構(gòu)體系作為建筑豎向承重結(jié)構(gòu)，并同時(shí)承受水平荷載，適用于多層或高度不大的高層建筑。框架結(jié)構(gòu)的布置要注意對稱均勻和傳力途徑直接。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置采用主次梁的作法為主，逐步向扁梁或無蓋梁發(fā)展。框架柱是框架結(jié)構(gòu)的主要豎向承重和抗側(cè)力構(gòu)件，以受壓應(yīng)力為主。(2)剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用建筑物的墻體作為豎向承重和抵抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系。剪力墻的間距受樓板構(gòu)件跨度的限制，一般為3～8米。因而剪力墻結(jié)構(gòu)適用于要求小房間的住宅、旅館等建筑。剪力墻一般采用鋼筋混凝土材料，可分為全部為現(xiàn)澆的剪力墻，全部用預(yù)制墻板裝配而成的剪力墻，內(nèi)墻為現(xiàn)澆、外墻為預(yù)制墻板的剪力墻。(3)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是將框架和剪力墻結(jié)合在一起而形成的結(jié)構(gòu)形式。它既有框架結(jié)構(gòu)平面布局靈活、適用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又有較好的承受水平荷載的能力，是高層建筑中應(yīng)用比較廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。（4)筒體結(jié)構(gòu)。隨著建筑物高度的增加，傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)體系、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系已不能很好地滿足結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下強(qiáng)度和剛度的要求。筒體體系因其在抵抗水平力方面具有良好的剛度，并能形成較大的使用空間，筒體是由框架和剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)展而成。它是由若干片縱橫交接的框架或剪刀墻所圍成的筒狀封閉骨架。

2高層建筑結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)形態(tài)不斷創(chuàng)新

（1)采用新型材料。材料是構(gòu)成建筑的基本物質(zhì)，對材料的正確運(yùn)用，合理發(fā)揮出材料的受力特性，也必然是新的結(jié)構(gòu)形態(tài)迸發(fā)的源泉。新型建筑用鋼和高強(qiáng)與超高強(qiáng)混凝土已經(jīng)在國內(nèi)外大量使用于高層和超高層建筑，以大大減少材料用量，減少建筑物截面，提高建筑使用面積，降低建筑物自重載荷和制造成本。鋼纖維、化學(xué)短纖維與碳纖維等新材料也正在進(jìn)入建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，膜材料、復(fù)合木材料、紙結(jié)構(gòu)材料、玻璃結(jié)構(gòu)材料等有力地推動著結(jié)構(gòu)的變革。

2.2 選擇地基基礎(chǔ)類型

選擇地基基礎(chǔ)方案時(shí)，一般都優(yōu)先考慮采用淺基礎(chǔ)，持力層設(shè)置在天然土層上。由于這類基礎(chǔ)埋置不深，無需復(fù)雜的施工設(shè)備，用料較省，開挖基坑，必要時(shí)排水疏干后和支護(hù)坑壁，地基不加處理即可修建，故工期短，造價(jià)低。上部結(jié)構(gòu)的層數(shù)與荷載情況是選擇基礎(chǔ)形式的重要因素。層數(shù)越多，荷載越大，要求基礎(chǔ)的承載能力和總體剛度越大。上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系也直接影響基礎(chǔ)形式的選擇。不同的上部結(jié)構(gòu)對于地基不均勻，變形的敏感程度是不同的。上部結(jié)構(gòu)對地基不均勻變形越敏感，就越應(yīng)盡可能提高基礎(chǔ)的總體剛度。通過方案比較后確定，選取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的地基基礎(chǔ)方案，才能收到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的最大效益。

2.3 變形縫的設(shè)置

(1)沉降縫的設(shè)置。在建筑物的下列部位應(yīng)設(shè)置沉降縫:地基土的壓縮性有明顯差異處;平面形狀復(fù)雜的建筑物轉(zhuǎn)折部位;高度差異或荷載差異處;建筑結(jié)構(gòu)(或基礎(chǔ))類型不同處;過長的磚石承重結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位;局部地下室的邊緣;地基基礎(chǔ)處理方法不同處。

(2)伸縮縫的設(shè)置。

如表1所示。

排架結(jié)構(gòu)的柱高(從基礎(chǔ)頂面算起)低于sm時(shí)，宜適當(dāng)減小伸縮縫間距。位于氣候干燥地區(qū)，夏季炎熱且暴雨頻繁地區(qū)的結(jié)構(gòu)或經(jīng)常處于高溫作用下的結(jié)構(gòu)，可按照使用經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)減小伸縮縫間距。伸縮縫間距尚應(yīng)考慮施工條件的影響，必要時(shí)(如材料收縮較大或室內(nèi)結(jié)構(gòu)因施工外露時(shí)間較長)宜適當(dāng)減小伸縮縫間距。表中墻壁式結(jié)構(gòu)系指實(shí)體的地下室墻壁、擋土墻等類型結(jié)構(gòu)，不包括大型壁板的房屋和儲液池一類的結(jié)構(gòu)筋混凝土結(jié)構(gòu)超過一定長度時(shí)需設(shè)置伸縮縫。

2.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

(1)增加抗彎結(jié)構(gòu)體系的有效寬度，以調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。這樣做，是非常直接的，也是非常有效的。增加寬度可以直接增大抵抗力臂，從而減小抗傾覆力。從材料力學(xué)的基本知識可以知道，同樣面積、抗傾覆力同結(jié)構(gòu)寬度的關(guān)系不同形狀，可以獲得不同的其幾何特征。例如:相等面積的條件下，工字形截面的截面慣性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圓形截面。根據(jù)這個(gè)原理，不難理解加大寬度以后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度得到很大提高。

(2)剪力墻超筋的情況。剪力墻暗柱超筋。軟件中設(shè)定的暗柱最大配筋率是4%，而各規(guī)范以邊緣構(gòu)件方式給出了剪力墻主筋的配筋面積，沒有最大配筋率。所以當(dāng)程序給出剪力墻超筋的警告信息時(shí)，可以酌情考慮;當(dāng)剪力墻連梁超筋時(shí)，通常表明其在水平地震力作用下抗剪承載力不夠。規(guī)范中允許在地震作用下對剪力墻連梁的剛度進(jìn)行折減，折減后的剪力墻連梁在都會出現(xiàn)塑性變形，即開裂。但在進(jìn)行剪力墻連梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮其配筋是否滿彈性變形時(shí)承載力的要求。

(3)柱的軸壓比計(jì)算。軟件在計(jì)算考慮地震作用下柱的軸壓比時(shí)，采用的是地震作用組合下的的柱軸力設(shè)計(jì)值;軟件在不考慮地震作用下柱的軸壓比時(shí)，采取的是非地震作用組合下的柱軸力設(shè)計(jì)值。

3 結(jié)語

總之，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用，該階段應(yīng)與建筑師、設(shè)備師很好地溝通協(xié)調(diào)，做好結(jié)構(gòu)選型工作，另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。

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