基于復雜高層結構設計中的關鍵性問題分析研究

【摘要】本文首先就復雜高層建筑結構抗震設計的目標進行了分析，然后詳細的探討了影響復雜高層與超高層建筑結構設計的關鍵性的問題，本文提出了自己的一些觀點和看法，可與同行共同探討。

【關鍵詞】高層建筑；設計；結構；抗震；抗側力構件

前言

隨著我國各類城市圈、高新技術產業園區、金融市場商務區、生態文化旅游區、百鎮千村示范工程等社會經濟發展戰略全面實施，區域協調、城鄉一體、合理布局的城鎮化建設規模不斷擴大，工程建設項目逐年倍增，一大批高層建筑，尤其是建筑功能的廣泛性、結構類型的多樣性且體型復雜高層建筑顯著增多。表現在各個領域，這種新的建筑設計理念、新的結構體系、新的施工方法等運用于大型公共建筑、上萬到幾十萬、甚至于百萬平方米高層住宅樓群的施工實踐，為從事復雜高層建筑結構施工管理技術人員、工程建設行業質量監督管理人員提出新的目標、新的要求。

一、復雜高層建筑結構抗震設計的目標

高層建筑愈來愈多，高層建筑基于性態的抗震設計必然顯得尤為重要，傳統的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標顯然是不夠水準的，設計上必須有所突破，筆者認為還要從以下兩個評價水準進行考察：

1、正常使用水準評價。對于重現期大約為 50a 的地震，建筑物只能出現的損傷應該可以忽略，結構在設計時要求結構的反應狀態基本處于彈性反應狀態。

2、倒塌水準評價。對于重現期與 2 500 a 的地震水準非常接近的地震，要對最大地震振動有所預計，并設計為真正遇襲的條件能有效防止倒塌，并能證實以下幾點：（1）對于結構中所有的延性構件，其非彈性變形需求必須都比其變形能力要低；（2）對于具有非延性破壞模式的結構部件，其中對力的需求應大于等于其名義上的強度；（3）對于超高建筑物，又或者是復雜建筑物在設計上，對于起控制作用的構件還必須要證實其受到中等地震的振動作用，仍能保持彈性。

二、復雜高層建筑結構設計中的要點問題分析

1、重視概念設計。大量實踐經驗告訴我們，對于復雜超高結構設計上，應重視其結構概念設計，具體的應重視以下幾個環節：（1）應該盡量提升建筑結構的均勻性和規則性；（2）要確保結構有清晰且直接的傳力途徑，特別是結構豎向和抗側力傳力途徑；（3）設計上，要保證結構的整體性要在較高的水平；（4）設計要滲透節能減排的意識，建立較為合理的耗能機制；（5）應從提高結構和建筑構件材料的利用效率入手，確保形成整個結構的受力整體性。這一過程的實現，離不開結構工程師和建造師之間良好的溝通和交流，只有溝通才能盡可能地實現建筑和結構的統一。

2、科學、合理地選擇結構抗側力體系。理論研究和實踐證明，選擇合理的結構抗側力體系，能夠有效保證高層及復雜高層結構的安全性。在選擇上應注意以下幾個主要的因素：（1）結合建筑的實際高度選擇合適的結構體系。（2）在建筑的設計上，應盡可能地確保結構抗側力構件相互聯結、組合為一個整體。（3）對于建筑中采用了多重抗側力結構體系的具體實際情況時，應綜合分析每種結構體系在建筑設計中的效用，對各自的貢獻度有合理的估計和評判。

三、抗震設計問題分析

隨著城市建設的發展，越來越多美觀實用、造型新穎的高層建筑不斷涌現。這些建筑在充分滿足人們的使用空間，并給城市帶來靚麗風景的同時，也給結構分析特別是起主要作用的抗震性能分析帶來了許多難題。為適應建筑物的獨特造型和復雜空間布置，這些高層建筑的結構形式通常較為新穎和多變，常用的結構分析方法和分析軟件往往對其不能適用，因此需要進行專門的研究和探索。隨著結構計算機分析技術的快速發展，通用有限元軟件越來越成熟，它們為大型復雜工程的抗震分析提供了有利的條件，也大大促進了復雜高層建筑結構分析和設計技術的發展。在滿足建筑的功能性的基礎上，抗震設計是高層和超高層建筑的設計重點，這是確保建筑安全性最為關鍵的一環，應重點從以下幾點著手：

1、在高層建筑的抗震方案設計中，建筑結構的材料選擇也非常重要。

2、促進地震發生時能量的輸入能有效地減少。實踐證實，應做好以下幾個方面：一是，在對建筑構件的承載力進行驗收的同時應對建筑結構在地震作用下的層間位移限值實施有效的控制。二是，具體的高層建筑工程項目設計時，我們應該采用積極的、基于位移的結構抗震方法，對設計方案進行定量的分析，確保結構的變形彈性可以滿足地震的預期要求。三是，應綜合分析建筑構件的變形和建筑結構的位移兩者之間精確的關系，有效地確定構件的變形值。四是，結合建筑物的實際如建筑界面的應變分布及其大小來對建筑構件的構造需求進行有針對性的設計。五是，選擇堅固的場地，實施建筑施工，亦是有效減少地震發生作用時能量的輸入的另一個方面。

3、大量理論研究和實踐表明，對于一個具體的高層建筑而言，如果其承載能力不是很大，但是其具有的延性較高，那么當地震發生時，它也是不容易出現倒塌事故的，這是因為延性構件可以將地震帶來的能量充分地吸收，如此一來，建筑物能夠經受住的結構變形將非常大。大量工程實踐證實，在很多情況下延性結構的運用的效果是非常明顯的，借助該結構能夠消耗掉地震的能量，從而使得地震反應得以有效的減輕，促使地震給高層建筑帶來的破壞被有效地減弱，避免重大損失的發生。

4、設計的質量和方法決定著抗震效果的高低，因此，高層建筑抗震設計的結構必須得到足夠的重視。從國內外高層建筑結構的設計上來看，主要有如下 3 種：“框——筒”、“筒中筒”和“框架——支撐體系”。

四、結語

隨著高層建筑和超高層建筑越來越多，其復雜性也在不斷地增加，這給建筑的安全和建設的經濟性在設計上提出了較高的要求，從理論研究和結構設計的實踐經驗來看，要想保證復雜高層和超高層建筑的安全性，我們還有很多的工作要做，而且要保證較高的準確性和合理性。

參考文獻

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