高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素分析

摘 要 隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，高層建筑不斷涌現(xiàn)，作為土建設(shè)計(jì)人員，必須充分了解高層建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)體系，只有這樣才能使設(shè)計(jì)達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量的基本原則。

關(guān)鍵詞 高層建筑 設(shè)計(jì) 影響因素 分析

一、水平作用是設(shè)計(jì)的主要因素

任何建筑結(jié)構(gòu)都要抵抗豎向荷載和水平荷載，在低層和多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往是以重力為代表的豎向荷載起控制作用，對(duì)于高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要作用，但起控制作用的是水平荷載。之所以如此，其根本原因在于側(cè)移和內(nèi)力隨高度的增加而迅速增長，例如一根懸臂桿件，在豎向荷載作用下，產(chǎn)生的軸力僅與高度成線性比例，但在水平荷載作用下，其彎矩與高度呈二次方的關(guān)系上升。可見，到一定高度后，內(nèi)力大幅度增加。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗側(cè)力的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，水平荷裁是決定因素。

二、側(cè)移成為控制指標(biāo)

與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向變形迅速增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移與高度呈現(xiàn)四次方關(guān)系上升。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，還要求具有足夠的抗倒移剛度，以保證結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下所產(chǎn)生的側(cè)程限制在一定范圍內(nèi)。

側(cè)移是高層建筑的要害問題，之所以要控制結(jié)構(gòu)側(cè)移，其主要原因有：

（1）側(cè)移過大，使建筑物內(nèi)的人在心理上產(chǎn)生不適應(yīng)，控制結(jié)構(gòu)側(cè)移是保證建筑物正常使用的需要；

（2）側(cè)移過大，使建筑物內(nèi)的填充墻、建筑裝飾和電梯軌道等服務(wù)設(shè)施產(chǎn)生裂縫變形，甚至損壞；

（3）例移過大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂或損壞，進(jìn)而危及結(jié)構(gòu)正常使用和耐久性，實(shí)際上控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫就是限制結(jié)構(gòu)側(cè)移；

（4）地震對(duì)建筑物的破壞程度，主要取決于結(jié)構(gòu)側(cè)移大小，如果結(jié)構(gòu)變形能力不足以抵御地震輸入能量對(duì)結(jié)構(gòu)變形的要求，結(jié)構(gòu)則會(huì)發(fā)生倒塌。

三、抗震設(shè)計(jì)要求更高

在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載，還必須使建筑結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中層可修、大霞不倒。

計(jì)算結(jié)構(gòu)的延性是困難的，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性是通過一系列的構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)的。在高層建筑設(shè)計(jì)中，為使結(jié)構(gòu)具有良好的延性，構(gòu)件要有足夠大的截面尺寸，柱的軸壓比、梁和剪力墻酌剪壓比、構(gòu)件的配筋率都要適宜，應(yīng)遵照規(guī)范、規(guī)程的要求。

四、軸向變形不容忽視

任何建筑結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的位移都包括彎曲、軸向變形和剪切變形三部分。在低層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常只考慮彎曲變形，而忽略鈾向變形和剪切變形的影響，因?yàn)橐话憬Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的軸力和剪力產(chǎn)生影響較小，可不考慮。而高層建筑內(nèi)于層數(shù)多、軸力大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會(huì)對(duì)高層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生很大影響。此外，高層結(jié)構(gòu)中的校和剪力墻的截面也往往很大。因此，剪切變形的影響不可忽略。

采用框架體系和框架—剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸向壓力往往大于邊柱的鈾向壓力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時(shí)，此種差異軸向變形將會(huì)達(dá)到較大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁的中間支座產(chǎn)生沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。故在高層建筑設(shè)計(jì)中，軸向變形不能不考慮。

在高層建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算中，根據(jù)所選計(jì)算手段，所計(jì)及的構(gòu)件變形因素是有區(qū)別的。對(duì)于簡化助手算方法，一般只計(jì)及最基本的變形。采用計(jì)算機(jī)方法計(jì)算時(shí)，計(jì)及的變形因宏要多一些。當(dāng)用空間協(xié)同工作方法時(shí)，考慮了梁的彎曲、剪切變形，考慮了柱、剪力墻的彎曲、剪切和軸向變形；當(dāng)用完全的三維空間分析方法時(shí)，除考慮了前面全部變形外，還增加了梁、柱、剪力墑的扭轉(zhuǎn)變形，以及剪力墻墻肢截面的翹曲變形。

五、概念設(shè)計(jì)與理論計(jì)算同等重要

概念設(shè)計(jì)是指一些難以做出精確力學(xué)分析或在規(guī)范中難以具體規(guī)定的問題，必須由工程師運(yùn)用“概念”進(jìn)行分析，做出判斷，以便采取相應(yīng)措施。概念設(shè)計(jì)帶有一定經(jīng)驗(yàn)性。

高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算是在一定假定條件下進(jìn)行的。盡管分析的手段不斷提高，分析的原理不斷完善，但是由于地震作用的復(fù)雜性和不確定性，地基土影響的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致理論分析計(jì)算和實(shí)際情況相差數(shù)倍之多。尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段之后，會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件的局部開裂，甚至破壞，這時(shí)結(jié)構(gòu)很難用常規(guī)的計(jì)算原理去進(jìn)行內(nèi)力分析。實(shí)踐表明，在設(shè)計(jì)中把握好高層建筑的概念設(shè)計(jì)，從整體上提高建筑的抗震能力，消除結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計(jì)算和結(jié)構(gòu)措施，才能設(shè)計(jì)出具有良好抗震性能的高層建筑。

將注重概念設(shè)計(jì)作為高層建筑結(jié)構(gòu)的最高原則提出，其主要內(nèi)容為：

（1）應(yīng)特別重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性（包括平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性）。

（2）合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系包括：①明確的計(jì)算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；②避免因部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承受重力、風(fēng)載和地震作用的能力；③結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的承載能力和良好的變形能力，從而形成良好的耗能能力。

（3）采取必要的抗震措施提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。

六、減輕高層建筑自重比多層建筑更重要

減輕高層建筑的自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣的地基或樁基情況下，減輕房屋自重意味著在不增加基礎(chǔ)的造價(jià)和處理措施的前提下，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層上可能具有突出的經(jīng)濟(jì)效益。

地震效應(yīng)與建筑的自重成正比，減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效辦法。高層建筑的質(zhì)量大了，不僅作用于結(jié)構(gòu)上的地層剪力大，還由于重心高、地震作用傾覆力矩大，對(duì)豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力，P—效應(yīng)也造成很大的附加彎矩。

七、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定和傾覆問題

建筑物在豎向荷裁作用下，由于構(gòu)件的壓屈，可能造成整體失穩(wěn)。我國國內(nèi)高層建筑層數(shù)大多在40層以下，剛度很大，整體穩(wěn)定一般不存在問題。當(dāng)高寬比H/B大于等于5時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其整體穩(wěn)定性。

高層建筑由于總高度值很大，基底面積小，在水平荷裁和水平地震作用下，產(chǎn)生很大的傾覆力矩，如果傾覆力矩超過穩(wěn)定力矩，則建筑物將會(huì)發(fā)生傾覆，此方面地層災(zāi)害實(shí)例也已證實(shí)。在抗傾覆驗(yàn)算中，傾覆力矩按風(fēng)荷載或地層作用計(jì)算其設(shè)計(jì)值。計(jì)算穩(wěn)定力矩時(shí)，樓面活載取50%，恒載取90%，要求抗傾覆的穩(wěn)定力矩不小于傾覆力矩設(shè)計(jì)值。對(duì)于高度超過150m的高層建筑應(yīng)進(jìn)行整體穩(wěn)定性及抗傾覆驗(yàn)算，并應(yīng)在整體計(jì)算時(shí)考慮P—效應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]包世華.新編高層建筑結(jié)構(gòu)[M].北京：中國水利出版社，2001.

[2]方鄂華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

（作者單位：周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院）