高層建筑的結(jié)構(gòu)設計特點及基礎結(jié)構(gòu)設計

【摘要】隨著我國城市化的發(fā)展，高層建筑在城市中的建設和使用越來越廣泛，本文針對高層建筑中不同結(jié)構(gòu)的特點進行針對性的分析，在此基礎上，對高層建筑中上部結(jié)構(gòu)及基礎的設計中存在的問題進行了重要的探索，供相關(guān)技術(shù)人員分析。

【關(guān)鍵詞】高層簡述；基礎；結(jié)構(gòu)；設計

一、前言

高層建筑結(jié)構(gòu)設計和很多因素息息相關(guān)，因此對高層建筑進行結(jié)構(gòu)設計的過程中要綜合考慮當?shù)氐牡乩憝h(huán)境以及周邊的環(huán)境，結(jié)構(gòu)設計是影響高層建筑使用功能最主要的因素，因此備受人們的關(guān)注。

二、現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設計存在的缺陷

對于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設計基本原理都是相同的，但是，隨著高度的不斷增加，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設計的控制因素，其原因有兩個：其一，較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒；其二，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的效應不是線性增加的，而隨建筑高度的增高迅速增大。例如，在所有條件相同時，在風荷載作用下，建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比，而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比，地震的作用效應更加明顯。在現(xiàn)代高層建筑中，問題不僅僅是抗剪，而更重要的是整體抗彎和抵抗變形，可見，現(xiàn)代建筑的高層結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異，存在扭轉(zhuǎn)、共振、水平側(cè)向位移及剪重比等問題。

三、城市高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點

1、水平荷載是決定因素

一般的來說，一方面，樓房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，僅與樓房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，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；而另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2、軸向變形同等重要

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)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值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)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整。

3、側(cè)移是控制指標

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設計中的關(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)移應被控制在某一限度之內(nèi)。

4、結(jié)構(gòu)延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當?shù)拇胧瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

四、現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)分析

1、框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)體系是高層建筑非常重要的結(jié)構(gòu)體系，如連接梁體的連接結(jié)構(gòu)等。它是由不同材料的建筑構(gòu)件相互連接構(gòu)成承重負荷體系的框架建筑結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代高層建筑中，框架結(jié)構(gòu)體系的應用范圍更為廣泛。它不僅保證了建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還有效協(xié)調(diào)了各個重要結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，使之能夠形成一個統(tǒng)一的力學結(jié)構(gòu)體。此外，一些框架結(jié)構(gòu)體系還起著建筑物“骨架”的作用，是混凝土等其他附屬結(jié)構(gòu)的附著點。

2、 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)是高層住宅建筑廣泛采用的建筑結(jié)構(gòu)形式。在剪力墻的設計方面，一般情況下可以分為高剪力墻和底墩剪力墻。前者主要作為樓層之間的承力結(jié)構(gòu)，是承擔上層建筑力的主要結(jié)構(gòu)。這種類型的剪力墻一般比較厚，且墻根處還有加強墩，以增強其強度和剛性；而后一種剪力墻型則主要被應用在內(nèi)置樓梯的承力上，一般比較低矮，厚度也比前一種類型較薄，不過，一般為了增強其強度，需要在內(nèi)部設置加強筋。除此之外，剪力墻的設計與施工關(guān)乎高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在設計與施工時，必須嚴格依照相關(guān)的施工標準，并進行嚴格的質(zhì)量控制。

3、 筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)體系是一種比較特殊的結(jié)構(gòu)體，它多用于跨度空間大或超高層建筑。這種結(jié)構(gòu)體并不是與高層建筑“與生俱來”的，而是隨著高層建筑特別是現(xiàn)代超高層建筑的迅速發(fā)展，對其自身的結(jié)構(gòu)強度越來越高而逐漸發(fā)展起來的。在筒體結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)初期，由于在設計上還處在比較初級的階段，這種結(jié)構(gòu)體的優(yōu)勢并沒有得到有效的發(fā)揮，其布置呆板，甚至和其他的結(jié)構(gòu)體格格不入，因此其應用并不十分廣泛。但隨著建筑技術(shù)的快速進步，特別是建筑3D設計技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，筒體結(jié)構(gòu)體系得到了優(yōu)化，其實用性顯著增強，其優(yōu)勢也逐漸被發(fā)掘出來。到目前為止，筒體結(jié)構(gòu)體系的設計與施工已經(jīng)比較成熟，其應用也逐漸廣泛起來。

4、 框架-剪力墻混合結(jié)構(gòu)體系

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中合理布置適量的剪力墻，框剪結(jié)構(gòu)的受力特點是由框架和剪力墻兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成的新的受力形式。其中，框架的上部主要是上一層建筑的墻體等結(jié)構(gòu)，受到的垂直方向的壓力較大，故其主要承擔垂直壓力。而為了滿足這種要求，在設計施工時，務必要保證其強度和抗垂直變形能力，且要保證框架施工的均勻性，確保框架各結(jié)構(gòu)受力平衡；而剪力墻結(jié)構(gòu)則主要承受水平剪力，這種力一般比較大，能夠威脅建筑物水平結(jié)構(gòu)的穩(wěn)性，故而在剪力墻施工時，必須確保其剛性。此外，由于這種結(jié)構(gòu)體系是框架與剪力墻的混搭，因此，在設計時應注意銜接性與協(xié)調(diào)性，并在施工完成后嚴格檢查施工質(zhì)量。

五、高層建筑基礎設計中應注意的問題

1、保證荷載的可靠傳遞。

基礎結(jié)構(gòu)應具有必要的強度和剛度，以保證將高層建筑上部結(jié)構(gòu)作用于基礎頂面的巨大豎向、水平向荷載與力矩，可靠地傳給地基土或樁頂。

2、參與變形協(xié)調(diào)，減少不均勻沉降。

基礎結(jié)構(gòu)介于上部結(jié)構(gòu)與地基土之間，其剛度大小及其在平面上的分布，對調(diào)整不均勻沉降、減少整體和局部撓曲至關(guān)重要。例如：多、高層建筑中，當采用條形基礎不能滿足上部結(jié)構(gòu)對地基承載力和變形的要求，或當建筑物要求基礎具有足夠的剛度以調(diào)節(jié)不均勻沉降時，可采用筏型基礎。筏型基礎的平面尺寸，在地基土比較均勻的條件下，基底平面形心宜與上部結(jié)構(gòu)豎向永久荷載的重心重合。當不重合時，在荷載效應準永久組合下，宜通過調(diào)整基底面積使偏心距符合要求。

3、內(nèi)力分析中，應盡可能考慮基礎結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)和地基土的共同作用

基礎結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)和地基土三者之間的共同作用是客觀存在的。當然，在實際工程設計中往往不可能都做到，特別是地基模型及其參數(shù)的選取，對共同作用的結(jié)果影響甚大；但在構(gòu)造和配筋上反映對共同作用結(jié)果的考慮，是完全可能和必要的。例如：在同一大面積整體筏型基礎上建有多幢高層和低層建筑時，筒體下筏板厚度和配筋宜按上部結(jié)構(gòu)、基礎與地基土的共同作用的基礎變形和基底反力計算確定。帶裙房的高層建筑下的大面積整體筏型基礎，其主樓下筏板的整體撓度值不應大于0.5‰，主樓與相鄰的裙房柱的差異沉降不應大于1‰，裙房柱間的差異沉降不應大于2‰。

六、結(jié)束語

綜上所述，本文重點對現(xiàn)代高層建筑的結(jié)構(gòu)特點進行了詳細的分析，對現(xiàn)代高層結(jié)構(gòu)的常見框架體系進行了分析，隨后，針對基礎結(jié)構(gòu)設計的常見問題進行了探索。目的提高廣大設計人員設計高層建筑的質(zhì)量。

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