淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盛偉斌 王偉

【摘要】隨著社會(huì)發(fā)展，科技技術(shù)的進(jìn)步，基本建設(shè)規(guī)模的大型建筑、高層建筑結(jié)構(gòu)形式越來越多。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅應(yīng)保證高層建筑具有足夠的安全性，還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化措施

一、建筑結(jié)構(gòu)的布置原則與要求

1、結(jié)構(gòu)平面布置

結(jié)構(gòu)平面形狀宜簡單、規(guī)則、對稱，盡量使質(zhì)心和剛心重合。偏心大的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大，會(huì)加大端部構(gòu)件的位移，導(dǎo)致應(yīng)力集中。平面突出部分不宜過長。扭轉(zhuǎn)是否過大，可用概念設(shè)計(jì)方法近似計(jì)算剛心、質(zhì)心及偏心距后進(jìn)行判斷，還可以比較結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)邊緣處的最大層間變形和質(zhì)心處的層間變形，其比值超過1.1者，可以認(rèn)為扭轉(zhuǎn)太大而結(jié)構(gòu)不規(guī)則。

高層建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，當(dāng)由于使用功能與建筑的要求，結(jié)構(gòu)平面布置嚴(yán)重不規(guī)則時(shí)，應(yīng)將其分割成若干比較簡單、規(guī)則的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。對于地震區(qū)的抗震建筑，簡單、規(guī)則、對稱的原則尤為重要。

2、結(jié)構(gòu)立體布置

規(guī)則，主要是指體型規(guī)則，若有變化，亦應(yīng)是有規(guī)則的漸變。體型沿豎向的劇變，將使地震時(shí)某些變形特別集中，常常在該樓層因過大的變形而引起倒塌。

均勻是指上下體型、剛度、承載力及質(zhì)量分布均勻，以及它們的變化均勻。結(jié)構(gòu)宜設(shè)計(jì)成剛度下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小，將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴(yán)重的會(huì)引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化，也應(yīng)下大上小逐漸變化，不應(yīng)發(fā)生過大的突變。上部樓層收進(jìn)使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生，但是對于收進(jìn)的尺寸應(yīng)當(dāng)限制。收進(jìn)的部位越高，收進(jìn)后的平面尺寸越小，高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑，造成“頭重腳輕”的狀況，將使扭轉(zhuǎn)反映明顯加大，豎向地震影響也明顯變大。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1、水平力是設(shè)計(jì)主要因素

在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力性的不同而有較大的變化。

2、側(cè)移成為控制指標(biāo)

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

3、抗震設(shè)計(jì)要求更高

有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、中震可修、大震不倒。

4、軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會(huì)對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對下料長度進(jìn)行調(diào)整；另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會(huì)得出不正確的結(jié)果。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

1、水平荷載相對于豎向荷載顯得更為重要

結(jié)構(gòu)需同時(shí)承受豎向和水平荷載，低層結(jié)構(gòu)以抵抗重力為代表的豎向荷載為主，而水平荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力、側(cè)向位移很小。對高層結(jié)構(gòu)來說，隨著建筑高度的增加，水平荷載隨建筑高度的增高迅速增大。如把建筑物視作一簡單的豎向懸臂構(gòu)件，構(gòu)件中由豎向荷載產(chǎn)生的軸力與高度（H）成正比；水平作用產(chǎn)生的彎矩與高度（H）的平方成正比；水平作用產(chǎn)生的側(cè)向位移則與高度（H）的四次方成正比。對某一高度確定的建筑，結(jié)構(gòu)豎向荷載的大小基本穩(wěn)定，而水平方向上風(fēng)載和地震作用的數(shù)值大小往往會(huì)隨高層建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性不同而存在較大幅度的變化。可見，水平荷載對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響大，側(cè)向位移成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制目標(biāo)之一。

2、控制結(jié)構(gòu)側(cè)移是關(guān)鍵因素

與低層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不同，高層建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)移是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵決定性因素。隨著建筑高度的不斷增加，水平側(cè)向荷載下的結(jié)構(gòu)側(cè)移變形會(huì)快速增大。側(cè)向位移過大使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，特別是對豎向構(gòu)件，附加偏心力超過一定限值時(shí)，將會(huì)引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌破壞；同時(shí)，在風(fēng)荷載作用下，如果側(cè)向位移過大，將會(huì)引起居住者工作者的不適，在地震作用下，如果側(cè)向位移過大，更會(huì)讓人感到不安和驚慌。

3、抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

3.1基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，抗風(fēng)結(jié)構(gòu)需要建立在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上， 一方面要采用級配比較高的砂石，保證回填材料的密實(shí)程度， 防止水平作用力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾覆性的威脅，另一方面是在基礎(chǔ)持力層的底部設(shè)置抗拔錨桿，通過錨桿鉆孔、桿體制作安裝、注漿等，提高抗拔錨桿的應(yīng)用功能，使得地下室的基礎(chǔ)具有足夠的抗拔強(qiáng)度。

3.2耗能減振系統(tǒng)的設(shè)置，設(shè)計(jì)高層建筑非承重構(gòu)件的時(shí)候，利用耗能減振系統(tǒng)減少風(fēng)荷載對建筑物的作用，系統(tǒng)由耗能支撐、剪力墻、梁柱、樓板等構(gòu)成，減振系統(tǒng)的設(shè)置在結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還要采用粘彈性比較強(qiáng)的阻尼材料，提高其耗能減振的作用。

4、抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

4.1提高建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)則性，合理設(shè)置抗側(cè)力構(gòu)件的位置，以此形成承載力的合理性分布體系，垂直方向需要通過抗側(cè)力構(gòu)件剛度和強(qiáng)度的提高，滿足其連續(xù)和均勻穩(wěn)定性。筆者通過相關(guān)的地震資料總結(jié)，抗側(cè)力構(gòu)件能夠使得高層建筑物的結(jié)構(gòu)在平面布置時(shí)處于對稱狀態(tài)，在一定程度上滿足結(jié)構(gòu)抗震的需求。

4.2地基的抗震設(shè)計(jì)，地基沉降現(xiàn)象是地震時(shí)建筑物結(jié)構(gòu)破壞的最直接原因，當(dāng)?shù)鼗l(fā)生沉降的時(shí)候，建筑物的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生開裂等破壞，因此，地基施工的時(shí)候，必須結(jié)合地震對其的破壞特點(diǎn)，進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，一方面，簡化建筑物的建筑平面，減少陰角的平面布置，將外部形狀和高度存在差異性的建筑物以棟為單位分割，通過施工設(shè)計(jì)安排，提高地基的剛度和強(qiáng)度，另一方面則是將樁箱埋置在一定的深度內(nèi)，將群樁、上部結(jié)構(gòu)重點(diǎn)控制在同一直線上。

5、 優(yōu)化消防結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

5.1根據(jù)建筑物棟與棟之間的最近距離計(jì)算防火間距，最近距離是從外墻突出的構(gòu)件邊緣算起的。由于高層建筑的功能較多、規(guī)模較大，而且加上地理位置和建筑物耐火極限的能力都具有差別性，因此防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面只能根據(jù)實(shí)際情況靈活變動(dòng)，一是加強(qiáng)火災(zāi)時(shí)的隔斷功能，二是增加滅火的結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)中將可燃物減少到最少狀態(tài)，三是加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的耐火能力，尤其是排煙方面的措施，達(dá)到防火安全的目的。

5.2在布置的時(shí)候，可設(shè)計(jì)前室防煙區(qū)和雙向疏散的功能，并根據(jù)建筑物的可燃物性質(zhì)和數(shù)量，估算火災(zāi)時(shí)火勢和煙的蔓延速度，在合適的地點(diǎn)適當(dāng)布置暫時(shí)性避難層和避難室。

結(jié)束語

根據(jù)建設(shè)規(guī)模，我國城市建設(shè)中占據(jù)比例最大的是高層建筑，而高層建筑結(jié)構(gòu)的多變性和復(fù)雜性，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作成為建筑施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。面對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題，本文將對高層建筑抗風(fēng)結(jié)構(gòu)、消防結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)三種常見結(jié)構(gòu)的問題進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議。

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