復雜高層建筑結構的若干關鍵設計技術研究

吳松松

摘要：目前，隨著社會的高速發展和城市化進程的加快，高層建筑和超高層建筑日漸增多，相比普通建筑，其在建筑結構有著明顯的區別。本文首先闡述了復雜高層建筑的發展狀況，其后對高層結構基本規定與布置原則進行了分析，最后對高層建筑結構中的關鍵技術桁架轉換層結構設計進行了探索，希望能夠對復雜高層建筑的發展提供參考和建議。

關鍵詞：高層建筑;結構設計;關鍵技術

隨著城市化進程的加快，城市用地日漸緊張，城市建筑物開始轉向高空發展，建筑物的增高和公眾審美的多樣化促使設計師不斷的創新和變化建筑形態。高層建筑的內部空間和體形日漸復雜多變，越來越復雜的高層建筑結構給建筑設計師帶來了巨大的挑戰。建筑設計師在設計過程中不但要結合最新的材料、工藝和最先進的設計技術，而且還要與結構工程師充分溝通交流，探求最為科學合理的建筑結構，促使高層建筑結構在理想的情況下又能切合實際情況。作者結合自身多年的工作經驗體會，深入淺出的對復雜高層建筑結構的若干關鍵設計要點進行分析探討。

1.復雜高層建筑發展現狀

1.1復雜高層建筑結構體系、體型

在20世紀末，隨著施工技術的不斷創新進步及很多高性能建筑材料的使用，高層建筑結構體現出復雜性和多樣化趨勢。例如：錯層結構、筒體結構、連體結構等的出現和應用。此外，隨著業主需求的多樣化，復雜高層建筑結構的建筑功能要求也日益增多。總之，在多功能、多用途的要求下，高層建筑立面體型和平面布置日益復雜。圓形、三角形等多樣式的結構平面組合日漸出現在人們的視野里。豐富多變的高層建筑立面體型也層出不窮，高層建筑的剛度沿豎向發生突變。

1.2新技術和新材料的應用

20世紀末。高性能的混凝土和高強度的鋼材憑借優秀的性能在復雜高層建筑的施工建設中得到了廣泛的應用。混凝土的強度等級逐漸向高等級發展，高耐火性、可焊性和韌性的鋼材應用越來越廣泛。采用全鋼結構、鋼混組合的高層建筑越來越多，這樣不但增強了建筑的安全性，而且還大大減輕了建筑結構的重量。加速了高層建筑結構的多樣化和復雜性發展。新技術的產生和應用加之新材料的使用促使復雜高層建筑結構的發展更加迅速，反之，復雜高層建筑的快速發展也加速了新技術和新材料的應用。

2.復雜高層結構基本規定與布置原則

高層建筑選擇結構體系時，不但要考慮建筑結構的高度之外，還要充分考慮到建筑物的剖面形狀、平面和總體型以及當地設計風格。建筑設計師在設計初步階段就應進行選擇。

2.1 復雜高層建筑總高度與高寬比

在選擇高層建筑結構時，要充分考慮到各種因素，房屋高度和高寬比、施工現場條件、施工材料、施工場地類型以及抗震設防烈度等級和抗震類別等均要充分考慮。A、B級是鋼筋混凝土高層建筑結構適用的高度，其中A等級比B等級高度低，相比A級，高層建筑結構最大適度可適度放寬。但相應的在構造措施、結構抗震等級和相關計算方面要更加嚴格，結構高寬比要控制在5-6內。對建筑結構整體穩定、結構剛度以及經濟合理性和承載能力的綜合控制是高層建筑的高寬比的重要目的。

2.2復雜高層建筑結構平面布置

為便于建筑工業化的發展，要盡量減少高層建筑的構建類型、開間、進深尺度。在布置結構平面時，不但做到明確受力、傳力直接、做到均勻對稱的情況，而且還要充分考減少扭轉的影響，便于抵抗豎向和水平的應力作用。建筑平面在荷載作用下要做到規則簡單，可放寬風荷載作用、對于那些不對稱的高層建筑結構要充分考慮到受應力扭轉帶來的不利影響。

2.3復雜高層 結構豎向布置

布置結構豎向時，剛度要連續而均勻，剛度要避免出現突變的情況。改變豎向剛度的原因主要有以下兩個方面：1、突然改變剪力墻、抗側力結構框架和筒體等;2、建筑結構的豎向體型發生改變。建筑結構的結構剛度和承載力在實際工程抗震時自下而上進行遞減，通常情況下改變豎向分段混凝土強度以及構建截面尺寸，這樣可以讓剛度自下而上遞減。

2.4 復雜高層抗震投計的基本原則

抗震能力是建筑物設計的必要考慮因素，特別是對復雜高層建筑。建筑設計抗震目的要做到“大震不倒、中震可修、小震不壞”。因此，復雜高層結構設計時要滿足以下幾個基本原則：1、場地選擇時要避開不利場地，盡可能選擇有利場地，確保有穩定的地基;2、選擇科學合理的建筑結構體系，不同的結構體系的抗震能力有著明顯的差異，抗震能力較差的有純框架結構，而框架—剪力墻結構和筒體結構不但有著性能，而且抗震能力較強;3、結構平面布置要做到對稱、簡單、規則，要盡量減少縮頸部位以及凹角;4、豎向體型盡量要做到筆直，不宜過多內收，也盡量不要外挑，要做到均勻改變剛度，以免因為不均勻產生的變形集中;5、復雜高層建筑中那些突出的樓頂為能夠很好的承受高振型產生的鞭梢效應影響，其延性和承載力必須性能必須優良，特殊情況下可以使用型鋼混凝土結構或鋼結構;6、為保證安全性和穩定向，建筑結構構造和設計方面要做到多道設防。例如為保障框架結構的穩定性，設計時采取強柱弱梁的方式，框架—剪力墻結構設計成連梁首先屈服，然后是墻肢，框架作為第二道防線;剪力墻結構通過構造措施保證連梁先屈服，并通過空間整體性形成多次超靜定等。

3.復雜高層建筑結構桁架轉換層結構設計應用

當前，在當前工程界，因為受力明顯、抗側剛度、結構自重比轉換梁小以及清楚的傳力途徑等優點，轉換桁架在復雜高層建筑中有著廣泛的應用。此外，桁架轉換層結構在大型管道等設備系統布置以及采光和通風方面有著明顯的優勢，轉換層的建筑空間可以充分利用，在保障建筑功能的情況有著優異的建筑藝術效果。

當采用空腹桁架、斜桿桁架或迭層桁架作轉換構件時，桁架下弦宜施加預應力，形成預應力混凝土桁架轉換構件，以減小因桁架下弦軸向變形過大而引起桁架及帶桁架轉換層高層建筑結構在豎向荷載下次內力的影響和提高轉換桁架的抗裂度和剛度。采用轉換桁架將框架一核心筒結構、筒中筒結構的上部密柱轉換為下部稀柱時，轉換桁架宜滿層設置，其斜桿的交點 宜為上部密柱的支點。當桁架高度超過層高時，轉換構件宜采用迭層桁架。帶桁架轉換層高層建筑結構設計必須遵循以下原則：“強化轉換層及其下部、弱化轉換層上部”;桁架轉換上部框架結構按“強柱弱梁、強邊柱弱中柱”的原則;桁架轉換按“強斜腹桿、強節點”的原則。通常情況下，為了確保塑性鉸在梁端出現，使柱比梁有更大的安全儲備，轉換桁架上部框架結構按“強柱弱梁、強邊柱弱中柱” 的原則進行設計。其中上部結構必須滿足軸壓比要求、抗剪要求及構造要求，柱按普通鋼筋混凝土框架結構的設計，確定截面尺寸。特殊情況下，當很難滿足軸壓比的要求時，轉換桁架下層柱的軸壓比，轉換桁架以下柱可采用高強混凝土柱、鋼骨混凝土柱等有效方法來調整截面尺寸、剛度及 其延性。

4.結語

總而言之，高層建筑已經成為了現在建筑發展的趨勢，在高層建筑快速發展的今天，設計人員除了要熟練掌握復雜高層建筑的基本設計規范、抗震設計以及布置原則之外，更要注重引進應用新理念、新技術。隨著我國建筑設計水平的快速發展，相信不久之后我國復雜高層建筑設計就能夠達到西方發達國家水平。

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