芻議復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，復(fù)雜高層與超高層建筑將會越來越多地出現(xiàn)在人們的生活當(dāng)中。但由于在超高建筑方面經(jīng)驗還不多，因此也存在著一些問題急待解決。本文將對復(fù)雜高層與超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的討論。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜高層；超高層；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

引 言

復(fù)雜高層與超高層與普通的高層建筑有所不同，必須引起設(shè)計人員的注意。隨著超高建筑物的不斷增加，雖然逐漸地暴露出一些設(shè)計方面存在的不足，但這些問題為人們在日后的超高建筑建設(shè)方面積累了一定的經(jīng)驗。為此，本文首先對復(fù)雜高層與超高層建筑與普通高層的差異進(jìn)行比較，然后對復(fù)雜高層與超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行論述。

1 復(fù)雜高層與超高層建筑和普通高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的區(qū)別

復(fù)雜高層與超高層建筑和普通建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在明顯的差異，一般普通高層的高度基本都建立在200m以內(nèi)，而復(fù)雜高層與超高層建筑的高度基本都在200米以上乃至上千米。對于普通高層，人們大多采用的是混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但復(fù)雜高層與超高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面還可以選擇全鋼結(jié)構(gòu)或者混合的結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時由于復(fù)雜高層與超高層建筑對消防以及機(jī)電設(shè)備的要求要更高一些，因此要考慮到避難層與機(jī)電設(shè)備層的設(shè)計。為避免地震等自然災(zāi)害對建筑物的破壞，復(fù)雜高層與超高層建筑在平面形狀的選擇上較普通的高層建筑要少得多，并且要滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的抗震要求。另外復(fù)雜高層與超高層建筑需要考慮風(fēng)載荷作用下舒適度的問題，而普通高層建筑無需考慮。

2 復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的問題

2.1 抗震設(shè)防烈度

對于超過100m以上的建筑物，在不同強(qiáng)度的抗震設(shè)防烈度下，對于建筑物的高度要求也是不盡相同的。一般情況下，抗震設(shè)防烈度在8度的區(qū)域不適宜建設(shè)300m以上的建筑物，復(fù)雜高層與超高層建筑適合建設(shè)在抗震設(shè)防烈度在6度的地區(qū)。

2.2 結(jié)構(gòu)方案

對于一個優(yōu)秀的建筑設(shè)計師來說，在設(shè)計中首先就要考慮到建筑物的結(jié)構(gòu)方案問題，尤其對于復(fù)雜高層與超高層建筑來說，如果結(jié)構(gòu)方案選擇不當(dāng)，將會引起整個方案的調(diào)整，因此，在設(shè)計單位進(jìn)行建筑方案設(shè)計時，需要有結(jié)構(gòu)專業(yè)參與到設(shè)計當(dāng)中。

2.3 結(jié)構(gòu)類型

在復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)類型的選擇上，人們不但要充分考慮到擬建方案所在地的巖土工程地質(zhì)條件，同時要考慮到該區(qū)域的抗震度要求。另外，為了節(jié)約建筑成本，人們還需要充分考慮到在工程造價問題以及施工的合理性問題，同等條件下選擇造價較低的合理的結(jié)構(gòu)類型。

2.4 關(guān)注舒適度和施工過程

2.4.1 高層建筑水平振動舒適度

復(fù)雜高層與超高層建筑因其結(jié)構(gòu)較柔，設(shè)計時，除保證結(jié)構(gòu)安全外，還需滿足室內(nèi)居住人群的舒適度要求，高層混凝土規(guī)程、高鋼規(guī)程均提出了明確的設(shè)計要求，需對高層建筑物在順風(fēng)向和橫風(fēng)向頂點最大加速度進(jìn)行控制。復(fù)雜高層建筑需講行舒適度分析，對混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比宜取0.02，對混合結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)阻尼比可根據(jù)情況取0.01～0.02舒適度驗算時，可取10年重現(xiàn)期下風(fēng)壓值進(jìn)行。高層混凝土規(guī)程和高鋼規(guī)對舒適度驗算的要求，公寓類建筑（如住宅、公寓）和公共建筑（如辦公、旅館）因功能不同，其水平振動指標(biāo)限值也有所不同。當(dāng)水平振動舒適度不滿足或為進(jìn)一步提高舒適度水平時，可采用增設(shè)TMD（可調(diào)質(zhì)量阻尼器），TLD（可調(diào)液體阻尼器）等方法實現(xiàn)。

2.4.2 大跨、懸挑柔性樓蓋豎向振動舒適度控制

復(fù)雜高層建筑設(shè)計中常設(shè)計大跨度樓板、空中連橋、大跨懸挑等復(fù)雜建筑特征，此類部位由干結(jié)構(gòu)豎向自振頻率較低，與行人激勵頻率相近，彼時需對樓蓋設(shè)計時的舒適度問題予以關(guān)注。高層混凝土規(guī)程要求樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動頻率不宜小于3Hz，且對不同豎向自振頻率下的樓蓋豎向振動舒適度峰值也提出了控制要求。因適用對象不同，住宅、辦公建筑、商場及走廊建筑的豎向振動峰值加速度限值亦不相同。

2.4.3 設(shè)計時應(yīng)考慮施工建造過程的可實施性

設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)注意復(fù)雜節(jié)點部位鋼筋及鋼材傳力的可靠性以及現(xiàn)場施工的可實施性。型鋼混凝土梁柱節(jié)點中主筋與型鋼相交時常用四種處理方法：①鋼筋繞討型鋼；②型鋼表面焊接鋼筋連接套筒；③鋼板上開洞穿鋼筋；④鋼筋與型鋼表面加勁板相焊接。復(fù)雜高層建筑施工方法會采取一些特殊工藝，如某塔采用“內(nèi)理型混凝土施工、造型中部增設(shè)水平臨時支撐桁架”見圖1。

3 復(fù)雜高層與超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 風(fēng)載荷

在復(fù)雜高層與超高層建筑的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，由于建筑結(jié)構(gòu)的第一自振周期與其所在地面卓越周期相差很大，隨著建筑物高度的不斷增加，風(fēng)載荷的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地震對建筑物的影響，特別是對于一些比較柔的復(fù)雜高層與超高層建筑，風(fēng)載荷是它結(jié)構(gòu)設(shè)計中的控制因素。因此，人們有必要對風(fēng)載荷進(jìn)行專業(yè)的研究。一般情況下，我國規(guī)定風(fēng)載荷的計算公式為Wk=βzμsμzW0，其中μz為風(fēng)壓高度的變化系數(shù)。其中A類地面：μz=0.794Z0.24；B類地面：μz=0.479Z0.52；C類地面：μz=0.284Z0.40。在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》當(dāng)中，對200m以上的復(fù)雜高層與超高層建筑也進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)范，其中就包括在對復(fù)雜高層與超高層建筑確定非圓形截面橫風(fēng)向風(fēng)振等效風(fēng)荷載情況時，要求必須進(jìn)行風(fēng)洞試驗。它的主要目的在于通過試驗對建筑外形的空氣動力進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，同時確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及主體結(jié)構(gòu)的風(fēng)載荷的標(biāo)準(zhǔn)值，對設(shè)計整體進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 重力載荷

對于復(fù)雜高層與超高層建筑，在設(shè)計時要考慮到重力載荷的傳力情況，實現(xiàn)合理的傳力途徑，因此在設(shè)計時對于重力載荷的途徑要盡可能地直接明了，同時要充分考慮到因建筑外圈框架和核心筒之間軸壓比之間的差異而造成的變形差對水平構(gòu)件產(chǎn)生的影響。一般采用一些施工的處理方法連接框架與核心筒。

3.3 混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在復(fù)雜高層與超高層的建筑當(dāng)中，很多時候都會采用混合結(jié)構(gòu)設(shè)計，混合結(jié)構(gòu)分為三種，而在實際中常用的是圓鋼管或者是矩形鋼管的混凝土框架與鋼筋混凝土核心筒的混合結(jié)構(gòu)，以及型鋼混凝土框架與鋼筋混凝土核心筒（內(nèi)外框梁為鋼梁或型鋼混凝土梁）的混合結(jié)構(gòu)兩種。每種結(jié)構(gòu)類型在設(shè)計上對鋼材用量的需要也不盡相同。在設(shè)計中，要考慮到對型鋼、圓鋼管混凝土中柱鋼骨的含鋼量，嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)程的要求進(jìn)行控制，同時，在鋼筋混凝土的核心筒要設(shè)置型鋼柱，這樣就可以確保型鋼混凝土、筒體延性相同，從而促使它們兩者之間的豎向變形減小。對于結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度無法滿足變形需要的混合結(jié)構(gòu)，人們采取相應(yīng)措施進(jìn)行彌補。比如，設(shè)置水平伸臂桁架的加強(qiáng)層，或利用避難層或設(shè)備層在外框或外框筒周邊設(shè)置環(huán)狀桁架。

4 復(fù)雜高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點

4.1 構(gòu)造設(shè)計要合理

在對復(fù)雜高層與超高層建筑物進(jìn)行設(shè)計時，必須保證構(gòu)造的設(shè)計謹(jǐn)慎并合理，重點要注意對一些薄弱的部位進(jìn)行加強(qiáng)，避免出現(xiàn)薄弱層，充分考慮到溫度應(yīng)力對建筑物的影響以及建筑物的抗震能力，注意構(gòu)件的延性以及鋼筋的錨固長度，在對平面和立面進(jìn)行布置時要確保平整均勻。

4.2 計算簡圖要合適

計算簡圖是對建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到復(fù)雜高層與超高層建筑的結(jié)構(gòu)安全。為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，人們必須從計算簡圖抓起，慎重研究，合理選擇，對于存在于計算簡圖中的誤差，要保證其值控制在技術(shù)規(guī)程允許的范圍內(nèi)。

4.3 結(jié)構(gòu)方案選擇要合理

建筑方案的合理性取決于結(jié)構(gòu)方案是否合理，因此，在選擇結(jié)構(gòu)方案時不但要充分考慮到經(jīng)濟(jì)因素，還要充分考慮方案的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系，同時能夠充分結(jié)合設(shè)計要求、材料、施工以及自然因素等來確定結(jié)構(gòu)方案，確保結(jié)構(gòu)方案的合理性。

4.4 基礎(chǔ)方案選擇要合理

在進(jìn)行基礎(chǔ)方案的設(shè)計中，設(shè)計師要考慮到載荷的分布情況，工程所在的自然因素、地質(zhì)條件，施工方的施工條件，周圍建筑物對所設(shè)計建筑物造成的影響等各方面因素，以此來確保基礎(chǔ)方案的選擇既經(jīng)濟(jì)又合理，達(dá)到最優(yōu)效果。

5 結(jié)束語

復(fù)雜高層與超高層建筑是社會發(fā)展的必然結(jié)果，隨著科技進(jìn)步，越來越多的復(fù)雜高層與超高層建筑將會逐漸亮相于城市之中，我們雖然在復(fù)雜高層與超高層建筑當(dāng)中取得了一定的成績，但仍需我們不斷研究與改進(jìn)，使復(fù)雜高層與超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加完美，發(fā)展更為迅速。

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