淺摘要：隨著高層建筑在我國的迅速發(fā)展,建筑高度的不斷增加,建筑類型與功能的愈來愈復(fù)雜,結(jié)構(gòu)體系的更加多樣化,高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)工作的主要重點(diǎn)和難點(diǎn)之所在。本文就高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　　關(guān)鍵詞：高層建筑；設(shè)計(jì)特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)體系；結(jié)構(gòu)分析
　　前言：
　　隨著高層建筑越來越普及,建筑高度的不斷增加,建筑類型與功能也越來越復(fù)雜,高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。如果高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)不清,造成結(jié)構(gòu)布置不合理,不僅造成大量人力和物力的浪費(fèi),更重要的是給高層建筑留下了結(jié)構(gòu)質(zhì)量的安全隱患。為了避免在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)或少出現(xiàn)這些問題,高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。
　　一．高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
　　1．結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形
　　隨著建筑物高度的增加,水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)向變形迅速增大,結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)側(cè)移與建筑物高度的四次方成正比。所以對于高層建筑,結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素,這是因?yàn)?
　　（1)高層建筑的使用功能和安全與結(jié)構(gòu)側(cè)移的大小密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)在陣風(fēng)作用下的振動加速度超過0.015g時,就會影響樓房內(nèi)使用人員的正常工作與生活,而振動加速度的大小與側(cè)移幅值的大小有關(guān)。
　　（2)過大的側(cè)向變形會使高層建筑的隔墻、圍護(hù)墻以及飾面材料開裂或損壞。
　　（3)高樓的重心位置較高,過大的側(cè)移會使P-△效應(yīng)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,甚至因側(cè)移與應(yīng)力的惡性循環(huán)而導(dǎo)致建筑物破壞。由此可見,在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時,不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度,還要求結(jié)構(gòu)具有足夠的抗推剛度,使結(jié)構(gòu)在水平、荷載作用下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在要求的限度之內(nèi)。在高層建筑中,由于層數(shù)多、荷載大,柱的軸向變形也大,而在各柱間產(chǎn)生差異軸向變形,將使梁中的彎矩增大,因此在結(jié)構(gòu)分析時必須考慮柱的軸向變形,這也是與一般建筑結(jié)構(gòu)分析的不同之處。
　　2．高層建筑結(jié)構(gòu)的剛性與柔性
　　多層和高層建筑結(jié)構(gòu)都要抵抗豎向及水平荷載作用,但是在高層建筑中,要使用更多的材料來抵抗水平作用,抗側(cè)力成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問題。在地震區(qū),地震作用對高層建筑的威脅更大,地震災(zāi)害將會給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失,所以抗震設(shè)計(jì)必須更加重視。
　　在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震理論和設(shè)計(jì)方法的發(fā)展過程中,存在著結(jié)構(gòu)剛與柔的爭議,有的認(rèn)為結(jié)構(gòu)柔一些好,因?yàn)閺目拐鹨?guī)范規(guī)定的地震反應(yīng)譜曲線可以清楚地看出,場地確定后,結(jié)構(gòu)愈柔,自振周期愈長,地震影響系數(shù)α越小,結(jié)構(gòu)所受到的地震作用就愈小,因此在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時,可將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得柔一些,以減小作用于結(jié)構(gòu)上的地震力,從而可以用較少的材料,抗御較強(qiáng)的地震,既合理又經(jīng)濟(jì)。但有的則認(rèn)為地震區(qū)的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該剛一些,使結(jié)構(gòu)具有較大的承載能力,可以抵抗較強(qiáng)的地震,而且非結(jié)構(gòu)部件的連接構(gòu)造簡單,又不易破壞。從過去的地震經(jīng)驗(yàn)也可以看出,對于一般構(gòu)造的高層建筑結(jié)構(gòu),剛比柔好,剛性結(jié)構(gòu)破壞較輕,而且由于地震時的結(jié)構(gòu)變形小,隔墻、圍護(hù)墻及裝飾等非結(jié)構(gòu)部件將得到保護(hù),破壞也會減輕。對于柔性結(jié)構(gòu),由于地震時將產(chǎn)生較大的層間側(cè)移,不但主體結(jié)構(gòu)破壞較重,非結(jié)構(gòu)部件也將大量遭到破壞,造成很大經(jīng)濟(jì)損失,甚至有時還會危及人身安全,所以高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用剛度較大的抗側(cè)力體系。
　　二．高層建筑的結(jié)構(gòu)體系
　　1．剪力墻體系
　　當(dāng)受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時,即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中,單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu),其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強(qiáng)度和剛度都比較高,有一定的延性,傳力直接均勻,整體性好,抗倒塌能力強(qiáng),是一種良好的結(jié)構(gòu)體系,能建高度大于框架或框架—剪力墻體系。
　　2.框架—剪力墻體系
　　當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時,往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來代替部分框架,便形成了框架—剪力墻體系。在承受水平力時,框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載,剪力墻主要承受水平剪力。框架—剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置,增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,使建筑物的水平位移減小,同時框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻,所以框架—剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。
　　3．簡體體系
　　凡采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡體體系,包括單簡體、簡體-框架、筒中筒、多束筒等多種型式。簡體是一種空間受力構(gòu)件,分實(shí)腹筒和空腹筒兩種類型。實(shí)腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體,空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。簡體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度,各構(gòu)件受力比較合理,抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng),往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。
　　三．高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題
　　1．結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題
　　新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動,新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件,例如:平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等,而且,新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。”因此,結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意,以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動。
　　2．結(jié)構(gòu)的超高問題
　　在抗震規(guī)范與高規(guī)中,對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制,尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題,除了將原來的限制高度設(shè)定為A級高度的建筑外,增加了B級高度的建筑,因此,必須對結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意,一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑或超過了B級高度,其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題,導(dǎo)致施工圖審查時未予通過,必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開專家會議進(jìn)行論證等工作的情況,對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。
　　3．嵌固端的設(shè)置問題
　　由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防,嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板,也有可能設(shè)置在人防頂板等位置,因此,在這個問題上,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面,如:嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時嵌固端的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等等問題,而忽略其中任何一個方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改或埋下安全隱患。
　　4．短肢剪力墻的設(shè)置問題
　　在新規(guī)范中,對墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻,且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn),對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制,因此,在高層建筑設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻,以避免給后期設(shè)計(jì)工作增加不必要的麻煩。
　　三．高層建筑結(jié)構(gòu)分析
　　1．彈性假定
　　目前工程上實(shí)用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計(jì)算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下,結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段,這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。但是在遭受地震或強(qiáng)臺風(fēng)作用時,高層建筑結(jié)構(gòu)往往會產(chǎn)生較大的位移,出現(xiàn)裂縫,進(jìn)入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移時不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作狀態(tài)的,應(yīng)按彈塑性動力分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　　2．小變形假定
　　小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題(P-△效應(yīng))進(jìn)行了一些研究。一般認(rèn)為,當(dāng)頂點(diǎn)水平位移與建筑物高度H的比值△/H>1/500時,P-△效應(yīng)的影響就不能忽視了。
　　3．剛性樓板假定
　　許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大,而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度,簡化了計(jì)算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計(jì)算簡體結(jié)構(gòu)提供了條件。一般來說,對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。
　　結(jié)束語
　　總之，為了革新高層建筑,體現(xiàn)其魅力,追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型將是工程師的目標(biāo)和方向。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個長期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過程,任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設(shè)計(jì)過程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計(jì)結(jié)果存在不安全因素。
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