高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

摘 要：在高層建筑結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往忙于應(yīng)付大量的具體工作，不夠重視結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性問題，導(dǎo)致同一工程經(jīng)不同人員設(shè)計(jì)，工程造價(jià)差別極大，浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。如今我國(guó)的房地產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷著蓬勃的發(fā)展、房?jī)r(jià)高啟的關(guān)鍵時(shí)刻，通過對(duì)高層住宅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，降低高層建筑的造價(jià)成本，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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

前言

高層建筑通常以建筑的高度和層數(shù)兩個(gè)指標(biāo)來判定，但世界范圍內(nèi)目前還沒有一個(gè)統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)。它與各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的地理環(huán)境、地震強(qiáng)度、建筑技術(shù)、電梯的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)以及防火的特殊要求等很多因素有關(guān)。美國(guó)規(guī)定高度為22～25m以上或7層以上建筑為高層建筑；日本規(guī)定8層以上或高度超過31m的建筑為高層建筑；英國(guó)規(guī)定高度為24.3m以上的建筑為高層建筑；在我國(guó)一般8層以上的房屋就需要設(shè)置電梯，對(duì)10層以上的房屋就有提出特殊的防火要求的防火規(guī)范，因此我國(guó)的《民用建筑設(shè)計(jì)通則》（GB50352-2005）、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50045-95）（2005年版）將10層及10層以上的建筑與高度超過24m的公共建筑和綜合性建筑稱為高層建筑。從結(jié)構(gòu)受力性態(tài)的角度來看，8層以上的房屋，風(fēng)和地震等水平荷載或作用顯得越來越重要，甚至起控制作用，因此《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）將10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其它鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的民用建筑稱為高層建筑。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)高度超過100m或?qū)訑?shù)在30層以上的高層建筑，稱為超高層建筑。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及類型

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1.1 水平荷載成為設(shè)計(jì)的決定因素

一方面，因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎構(gòu)件中所產(chǎn)生的軸向壓力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的二次方成正比；另一方面，對(duì)某一定高度樓房來說，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)值是隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。

1.1.2 軸向變形的影響在設(shè)計(jì)中不容忽視

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(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度和露面標(biāo)高產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整；另外對(duì)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(huì)得出偏于不安全的結(jié)果。

1.1.3 側(cè)移成為設(shè)計(jì)的控制指標(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(jì)中的關(guān)鍵因素。在水平荷載作用下，若高層建筑結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向變形的能力或側(cè)向剛度不足，將會(huì)產(chǎn)生過大的側(cè)向變形，不僅使人產(chǎn)生不安全感，而且會(huì)使結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下產(chǎn)生附加內(nèi)力，會(huì)使填充墻、建筑裝修、電梯軌道等服務(wù)設(shè)施出現(xiàn)裂縫、變形，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)性損傷或裂縫，從而危及結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性。因此設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，必須選擇可靠地抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)不僅具有較大的承載力，而且還應(yīng)具有較大的側(cè)向剛度，將水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向變形限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

1.1.4 結(jié)構(gòu)延性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)

相對(duì)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(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)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瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

1.2 高層建筑結(jié)構(gòu)的類型

高層建筑結(jié)構(gòu)的類型有：

1.2.1 框架結(jié)構(gòu)——由梁柱組成的單元，全部豎向荷載和側(cè)向荷載由框架承受，為平面受力體系。

1.2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)——用鋼筋混凝土墻承受豎向荷載和抵抗側(cè)向力的結(jié)構(gòu)。一般采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，整體性好，承載力及側(cè)向剛度大，單一的剪力墻是平面構(gòu)件，故一般雙向布置。

1.2.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)——由框架和剪力墻共同承受豎向荷載和抗測(cè)力。其是一種雙向抗測(cè)力結(jié)構(gòu)，剪力墻剛度大，承擔(dān)大部分層剪力，框架承擔(dān)的側(cè)向力相對(duì)較小，存在變形不協(xié)調(diào)。

1.2.4 板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)——由鋼筋混凝土無梁樓板和柱組成的結(jié)構(gòu)，但節(jié)點(diǎn)抗震性能差。

1.2.5 筒體結(jié)構(gòu)——由豎向筒體承受豎向和水平作用，筒體結(jié)構(gòu)的筒體分剪力墻圍成的薄壁筒和由密柱框架或壁式框架圍成的框筒等。其受力為空間結(jié)構(gòu)，也存在受力不協(xié)調(diào)，即或多或少的剪力滯后。

1.2.6 框架-核心筒結(jié)構(gòu)——框架-核心筒的周邊框架為平面框架，沒有框筒的空間作用，核心筒為抗測(cè)力主體。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

2.1 水平荷載成為決定因素

任何一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)都要同時(shí)承受垂直荷載和風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，盡管垂直荷載仍然對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生著重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。隨著高層建筑層數(shù)的增多，水平荷載成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中控制因素。一方面，因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中產(chǎn)生作用，而水平荷載也對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾覆作用，并由此產(chǎn)生高層建筑在豎向構(gòu)件中的作用力；另一方面，對(duì)高層建筑來說，豎向荷載和地震作用，也隨建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性而發(fā)生大幅度變化。

2.2 側(cè)移成為控制指標(biāo)

與低層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓層的增加，水平荷載作用下高層結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。設(shè)計(jì)高層結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，能夠可靠地承受風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力；還要求具有足夠的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi)，確保良好的居住和工作安全。由此可見，高樓的使用功能和安全，與結(jié)構(gòu)側(cè)移的大小密切相關(guān)。

2.3 結(jié)構(gòu)延性成為重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

與低層建筑結(jié)構(gòu)相比，高層建筑結(jié)構(gòu)更柔和，在地震作用下的變形度更大。為了確保高層建筑進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，從而避免倒塌，設(shè)計(jì)人員特別需要在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏肀ＷC高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)集數(shù)學(xué)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)于一體的綜合性技術(shù)工作，同時(shí)也是一項(xiàng)創(chuàng)新性很強(qiáng)的實(shí)踐活動(dòng)。隨著高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算分析水平、施工技術(shù)、材料性能等的不斷提高，高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系也將日趨復(fù)雜化和多元化，追求更具創(chuàng)新性和合理性的結(jié)構(gòu)形式，是結(jié)構(gòu)工程師們今后不斷努力的目標(biāo)和方向。

參考文獻(xiàn)

[1]劉夏石.工程饑餓夠設(shè)計(jì)優(yōu)化[M].北京：科學(xué)出版社，2008：14-19.

[2]張相庭.高層建筑抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：30-33.

[3]李波.高層建筑側(cè)向位移限制的研究[M].中國(guó)工業(yè)出版社，2008：100-103.