對高層建筑結(jié)構(gòu)設計的探討

摘要：隨著建筑項目的不斷發(fā)展，經(jīng)濟合理地采取建筑結(jié)構(gòu)設計措施是確保建筑安全與經(jīng)濟的前提，文章闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)設計的原則及特點，并對建筑結(jié)構(gòu)設計的相關問題進行分析研究。

關鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；設計；原則；

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設計原則

（1）選擇正確的計算簡圖：結(jié)構(gòu)計算是在計算簡圖的基礎上開展的，計算簡圖選著不當會導致結(jié)構(gòu)安全的事故頻繁發(fā)生，故選擇正確的計算簡圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計算簡圖還應該有相應的構(gòu)造措施來保證其在實際應用中的適用性。如實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點不可能是純粹的鉸結(jié)點或剛結(jié)點，但與計算簡圖的誤差必須在設計允許誤差范圍之內(nèi)。

（2）選擇正確的基礎方案：基礎設計應根據(jù)實際工程地質(zhì)條件，對上層結(jié)構(gòu)類型和載荷分布，鄰近建筑物影響和施工條件等等多方面因素進行綜合分析，選擇經(jīng)濟、合理的基礎方案，在設計時要最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時應該進行地基的變形驗算。基礎設計應該出具詳盡的地質(zhì)勘察報告，對某些缺少地質(zhì)報告的建筑也應該進行現(xiàn)場查看以及參考鄰近建筑資料。一般情況下，同一結(jié)構(gòu)單元不能用兩種不同的類型的基礎方案。

（3）正確選擇結(jié)構(gòu)方案：一個正確的結(jié)構(gòu)方案，總的來說就是一個切實可行的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應做到受力明確，傳力簡單。在同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)不宜選著不同結(jié)構(gòu)體系混用，位于地震區(qū)單元應充分考慮平面和豎向規(guī)則。具體說來就是必須對工程的設計、原材料供給、周邊地理環(huán)境、現(xiàn)有施工條件等具體情況進行綜合分析，并與建筑方、電、水、暖等供應商等方面充分協(xié)商，在此基礎上進行結(jié)構(gòu)方案設計，確定正確的結(jié)構(gòu)方案，必要時要進行多方案比較。

（4）正確分析計算結(jié)果：現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設計中普遍采取計算機技術，但是由于目前計算軟件種類繁多，不同軟件又往往導致計算結(jié)果不盡相同。因此要求設計師應對計算軟件的適用條件進行全面的了解。在利用計算機進行輔助設計時，由于結(jié)構(gòu)實際情況和設計程序不相符合，或者由于人工輸入錯誤又或者軟件本身存在缺陷均會導致錯誤的計算結(jié)果，因此要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到計算機計算結(jié)果時應結(jié)合實際情況認真分析，做出正確判斷。

（5）采取正確的構(gòu)造措施：做結(jié)構(gòu)設計時始終要牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓弱拉的原則”，同時注意構(gòu)件的延性性能，增強薄弱部位受力性，注意鋼筋的錨固長度、力度，特別是鋼筋的執(zhí)行段錨固長度；充分考慮溫度應力的影響力。

2.高層建筑設計特點

高層建筑的設計特點集中體現(xiàn)在水平荷載、軸向變形、側(cè)移等方面。

對于水平荷載需要注意兩個方面的因素，其一，對于一定高度樓房，豎向荷載基本上是定值，作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有大的幅度的變化。另外一方面，因為樓房的自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，與樓房高度成正比，而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾覆力矩，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。

對于高層建筑的軸向變形，主要考慮構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生較大的影響，與考慮構(gòu)件豎向變形相比較，會得出偏于不安全的結(jié)果。另外對于豎向荷載數(shù)值較大，能夠在柱中引起較大軸向變形，從而對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生較大影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大，還會對預制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生較大的影響，根據(jù)軸向變形計算值，對下料的長度進行調(diào)整。

關于高層結(jié)構(gòu)還需要考慮建筑會出現(xiàn)的側(cè)移現(xiàn)象，因為隨著樓房高度的不斷增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應被控制在某一限度內(nèi)。與較低的樓房不同的是，結(jié)構(gòu)側(cè)移已經(jīng)成為高樓結(jié)構(gòu)設計中的關鍵因素。所以還需要了解結(jié)構(gòu)的延性，為了使得建筑物牢固、可靠，具有很強的變形能力不會出現(xiàn)樓體倒塌等嚴重事故，就需要注意結(jié)構(gòu)的延性。因為結(jié)構(gòu)在進入塑性變形階段后依然具有比較強的變形能力這就必須在構(gòu)造上采取恰當?shù)拇胧源_保建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性能力。相對較低的樓房，高樓結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形更大。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)體系

（1）框架- 剪力墻體系。當單獨框架體系的強度及剛度不能滿足實際要求時，此時需要在建筑平面的適當位置增加較大的剪力墻來替代部分框架，這便形成了框架- 剪力墻體系。在承受水平方向力時，框架及剪力墻通過有足夠大剛度的樓板及連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在此體系中框架體系主要承受垂直荷載，而剪力墻主要承受水平剪力。框架- 剪力墻體系的位移曲線一般呈彎剪型。剪力墻的增加，增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使得建筑物的水平位移減小，同時框架承受來之水平方向剪力顯著降低并且內(nèi)力沿豎向的分布也趨于均勻，所以框架-剪力墻體系的能建高度要大于單純框架體系。

（2）剪力墻體系。當受力的主體結(jié)構(gòu)全部是由平面剪力墻構(gòu)件組成時，就形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，一片剪力墻就承受了全部的垂直荷載及水平力。剪力墻體系屬于剛性結(jié)構(gòu)，其位移曲線一般呈彎曲型。剪力墻體系的強度及剛度都比較高，且有一定的延性，傳力直接，整體性能好，抗震、抗倒塌能力強，是一種比較良好的結(jié)構(gòu)體系，能建高度大于單一框架體系或著框架-剪力墻混合體系。

（3）簡體體系。凡是采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系都稱為簡體體系，包括了單簡體、簡體- 框架、多束筒、筒中筒等多種表現(xiàn)型式。簡體實際上是一種空間受力構(gòu)件，分為實腹筒及空腹筒兩種類型。其中實腹筒是由平面或曲面墻圍成的豎向三維結(jié)構(gòu)單體，而空腹筒是由密排柱及窗裙梁或者開孔的鋼筋混泥土外墻組成的空間受力構(gòu)件。簡體體系具有很大的剛度及強度，而且各構(gòu)件受力比較合理，抗風、抗震能力表現(xiàn)很強，往往應用在超大跨度、大空間或超高層建筑中。

4.高層建筑結(jié)構(gòu)的相關問題分析

（1）結(jié)構(gòu)超高問題：在抗震規(guī)范及新規(guī)范中，對建筑結(jié)構(gòu)的總高度有著非常嚴格的限制，特別是新規(guī)范中針對超高問題，除了將以前的限制高度設定為A 級高度以外還增加了B 級高度，處理措施和設計方法也都有較大改變。在實際的工程設計中，頻頻出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)類型變更而忽略該問題后導致施工圖審查時未能通過，需要重新進行設計或者開專家會議進行論證的情況，對工程的工期、造價等整體規(guī)劃有著相當大影響。

（2）短肢剪力墻設置問題：在新規(guī)范中可以看到，對于墻肢截面高厚比為5-8的墻體定義為短肢剪力墻，而且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用也增加了比較的限制，所以，在高層建筑設計中，結(jié)構(gòu)工程師應當減少采用或盡量不用短肢剪力墻，以避免關于設計方面不必要的麻煩。

（3）嵌固端設置問題：目前由于高層建筑一般都帶有二層或者二層以上的地下室空間和人防，嵌固端有可能會設置在地下室的頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這問題上，結(jié)構(gòu)設計工程師通常忽視了由嵌固端設置帶來的一些需要注意的方面，比如：嵌固端樓板本身的設計、嵌固端上下層剛度比的上限、嵌固端上下層抗震層次的一致性、結(jié)構(gòu)抗震縫設計與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等問題，而忽略任何一個問題都有可能導致后期埋下安全隱患。

（4）結(jié)構(gòu)規(guī)則性問題：新、舊規(guī)范在這方面規(guī)則出現(xiàn)了較大的差異，新規(guī)范在這方面增加了相當多的限制條件，而且，新規(guī)范增加強制性條文規(guī)定“建筑不應該采用嚴重不規(guī)范的設計方案。”因此，結(jié)構(gòu)工程師在對待新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，從以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

5.小結(jié)

近年來，我國在高層建筑建設方面發(fā)展迅速。但從設計質(zhì)量方面來看，并不十分理想。在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，結(jié)構(gòu)工程師不能單單重視結(jié)構(gòu)計算的準確性而忽略結(jié)構(gòu)方案在具體實施時實際情況，應作出更加合理的結(jié)構(gòu)方案選擇。高層建筑結(jié)構(gòu)設計人員應該根據(jù)具體情況進行具體的分析所掌握的知識對實際建筑設計中遇到了各種問題進行處理。

參考文獻

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