淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析

摘要：隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進，其在建筑結(jié)構(gòu)上，越來越追求高層建筑。而高層建筑在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，在設(shè)計理念、設(shè)計方法上都有嚴格的要求。進而，在對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要綜合考慮大樓的用途和功能進行全面的設(shè)和規(guī)劃。本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)形式特點的基礎(chǔ)上，從不同角度對加強高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路進行了分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;設(shè)計分析

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

適用、安全、經(jīng)濟、美觀、便于施工是進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則。一個優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計往往是這五個方面的最佳結(jié)合。完美的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計就是在努力追求這五個方面的最佳結(jié)合的過程中產(chǎn)生的，適用、安全、經(jīng)濟、美觀、便于施工是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員最終努力的目標，是結(jié)構(gòu)設(shè)計的最佳體現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計一般在建筑設(shè)計之后，“受制”于建筑設(shè)計，但又“反制”于建筑設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計不能破壞建筑設(shè)計，應(yīng)滿足、實現(xiàn)各種建筑要求;建筑設(shè)計不能超出結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力范圍，不能超出安全、經(jīng)濟、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則。結(jié)構(gòu)設(shè)計決定建筑設(shè)計能否實現(xiàn)，從這個意義上講，結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得更為重要，雖然一棟標志性建筑物建成后，人們只知道建筑師的名字，但一個適用、安全、經(jīng)濟、美觀、便于施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是工程師們的驕傲和成就。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點

建筑結(jié)構(gòu)所受的外力（作用）主要來自垂直方向和水平方向。在低、多層建筑中，由于結(jié)構(gòu)層數(shù)少、平面尺寸較大，其高寬比很小，且結(jié)構(gòu)受風(fēng)荷載和地震影響也很小，故結(jié)構(gòu)以抵抗豎向荷載為主。也就是說，豎向荷載往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素。在高層建筑中，首先，在豎向荷載作用下，各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的框架柱軸力為：邊柱N=wlH/2h，中柱N=wlH/h，即框架柱的軸力和建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)成正比;邊柱軸力比中柱小，基本上與其受荷面積成正比。就是說，由各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的累積效應(yīng)很大，建筑物層數(shù)越多，底層柱軸力越大;頂、底層柱軸力差異越大;中柱、邊柱軸力差異也越大。

其次，在水平荷載作用下，作為整體受力分析，如果將高層建筑結(jié)構(gòu)簡化為一根豎向懸臂梁，那么由其底部產(chǎn)生的傾復(fù)彎矩為：水平均布荷載Mmax=qH2/2，倒三角形水平荷載Mmax=Qh3/3，即結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生的傾復(fù)彎矩與樓層總高度的平方成正比。就是說，建筑結(jié)構(gòu)的高度越大，由水平作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩就越大，較豎向荷載對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的累積效應(yīng)增加越快，其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力占總結(jié)構(gòu)內(nèi)力的比重越大，從而成為高層結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的主要控制因素。

高層建筑結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件有剪力墻、框架柱、梁和樓板。剪力墻、框架柱是豎向構(gòu)件，它們是形成結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度的最主要構(gòu)件，承擔著整個結(jié)構(gòu)的豎向荷載和絕大部分水平荷載;框架梁、樓板是水平構(gòu)件，結(jié)構(gòu)各樓層的豎向荷載通過樓板傳至框架梁再傳給豎向構(gòu)件，同時，對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度也有貢獻頗的框架梁，還和豎向構(gòu)件一起承擔整個結(jié)構(gòu)的荷載水平荷載;次外，有些高層建筑結(jié)構(gòu)還有斜向構(gòu)件，它們對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度貢獻很大，對構(gòu)件之間的傳力起著重要作用，除自重外，一般不直接受荷。

結(jié)構(gòu)在水平陣風(fēng)作用下，當振動加速度α超過0.015G時會使人的正常生活受影響，因為加速度α=A（2πf），當頻率f為定值時，α與振幅A成正比，因此結(jié)構(gòu)的側(cè)移幅值的大小要受限制。過大的側(cè)移易使隔墻、圍護結(jié)構(gòu)以及高級裝修受損，地震或陣風(fēng)引起的過大變形也會造成電梯軌道無法使用。結(jié)構(gòu)過大的變形會引起結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)，造成結(jié)構(gòu)桿件產(chǎn)生附加內(nèi)力，影響結(jié)構(gòu)承載力。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)的消防安全結(jié)構(gòu)設(shè)計

高層建筑結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，比較的注重其結(jié)構(gòu)風(fēng)格和美觀上的設(shè)計。進而，其樓層結(jié)構(gòu)需要使用到大量的高分子的現(xiàn)代材料，尤其是墻體的裝飾物越來越易燃化。因此，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，整體結(jié)構(gòu)的消防結(jié)構(gòu)非常的重要，同時作為建筑結(jié)構(gòu)最基本的結(jié)構(gòu)，其在設(shè)計的過程中，就需要充分的考慮到消防結(jié)構(gòu)的實用性。

（1）建筑結(jié)構(gòu)的外圍墻體消防結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)代的高層建筑，其在外墻的裝飾設(shè)計的過程中，大量的采用了高分子的易燃材質(zhì)，而且基于大樓的面積大。所以其外圍的消防結(jié)構(gòu)需要比較的緊湊，而且消防設(shè)備需要大型化。同時消防用水的管道可以雙管道德設(shè)計方法，進而起到雙保險的作用。而且在各個易燃點處，合理的分置消防設(shè)備，這樣可以很好的減少大樓整體性著火可能。

（2）高層建筑的結(jié)構(gòu)內(nèi)部消防設(shè)計

高層建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較的復(fù)雜，進而，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的消防處理上，需要進行系統(tǒng)的消防設(shè)計。在設(shè)計的過程中，需要做到關(guān)鍵點，都安裝有必要的消防設(shè)備。而且，消防用水要與實際的生活用水分開，盡量避免消防的用水緊張。當然，大樓結(jié)構(gòu)的消防安全，還需要大樓的各個用戶加強消防意識，這樣才能更好的保障大樓的消防安全。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)的變形特點

在豎向荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)的變形主要是豎向構(gòu)件的壓縮變形。由于各豎向構(gòu)件的應(yīng)力大小不同，因而其壓縮變形大小也不同。在水平荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)最大的頂點位移為：水平均布荷載△max=qH4/8EI，倒三角形水平荷載△max=11qH4/120EI，式中EI為結(jié)構(gòu)，從以上可看出，結(jié)構(gòu)頂點位移與其總高度的四次方成正比。則又比水平荷載作用下的內(nèi)力累積效應(yīng)增加更快，這就說明，高層建筑結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移是相當敏感的。水平荷載作用下所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及側(cè)移是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素。所以結(jié)構(gòu)應(yīng)具備較大的抗側(cè)度，而不僅僅滿足強度、剛度和穩(wěn)定要求。

五、加強高層建筑結(jié)構(gòu)的計算與分析

隨著計算機技術(shù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展和完善，計算機軟件在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的使用日益增多。但是，數(shù)值計算并不能完全替代人的主要設(shè)計概念，因為在充分利用計算機設(shè)計的過程中，必須充分了解軟件設(shè)計的內(nèi)在要求和適用性。總之，在結(jié)構(gòu)的計算和分析階段，必須在保持對計算和分析過程、結(jié)果有充分認識的基礎(chǔ)上，準確的利用計算軟件根據(jù)規(guī)范進行深入細化的計算和分析，這一處理結(jié)果的好壞實際上也決定了設(shè)計質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。SATWE、TAT、ETABS、SAP、MIDAS等式目前比較通用的結(jié)構(gòu)分析軟件。根據(jù)工程整體結(jié)構(gòu)計算的要求，選擇合適的軟件來建立合理精確地模型，對不同軟件計算的結(jié)構(gòu)進行橫向比較，為最終的設(shè)計工作奠定基礎(chǔ)。

把握高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的注意環(huán)節(jié)

（1）周期折減系數(shù)。在高層結(jié)構(gòu)的周期分析中，很容易忽略掉非結(jié)構(gòu)的砌體填充墻所帶來的影響。顯然，周期的折減應(yīng)考慮到非結(jié)構(gòu)性構(gòu)件的影響作用，而且不同的結(jié)構(gòu)類型和填充墻的形式也決定了周期折減系數(shù)的取值。

（2）選擇足夠的振型數(shù)目。通常對于規(guī)則高層建筑而已，選擇其前三階振型計算即可滿足計算要求，在分析的過程中，應(yīng)依據(jù)規(guī)范要求對計算結(jié)果進行合理判斷;但對于一些不規(guī)則的高層結(jié)構(gòu)而已，或者對于一些有特殊構(gòu)件的結(jié)構(gòu)而已，局部的振動也必然存在，此時因根據(jù)具體的振動特性來選擇振型數(shù)目的取值。

（3）明確多塔之間的藕聯(lián)計算。在高層建筑結(jié)構(gòu)形式中，主塔建筑和裙塔建筑構(gòu)成的藕聯(lián)體系是一種常見的結(jié)構(gòu)形式，按結(jié)構(gòu)的受力特點，將結(jié)構(gòu)作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開進行計算是滿足力學(xué)基本要求的規(guī)定，但是很多工程師為了計算的方便通常都是分開單獨計算，這樣處理顯然是存在問題的。當多塔間剛度相差較大的時候，兩者之間就存在“耦合效應(yīng)”，此時若忽視掉就必然使得塔樓的計算誤差仍然有較大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。

結(jié)語

在我國城市化建設(shè)的進程中，高層結(jié)構(gòu)建筑逐漸成為當今城市建設(shè)的主要建筑。尤其是其在一定程度上減緩了城市的用地緊張，因此，非常適合當今城市的文明化進程。然而，高層結(jié)構(gòu)建筑在設(shè)計技術(shù)上具有嚴格的要求，其要求結(jié)構(gòu)的受力結(jié)構(gòu)合理以及抗自然災(zāi)害的性能優(yōu)良，這些最關(guān)鍵性的設(shè)計元素都得在設(shè)計的過程中，作為主要考慮的設(shè)計元素。

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