對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計淺談

（浙江高專建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江，寧波，315016）

【摘要】高層建筑已成為我國樓房建筑中的主流，隨著人們生活水平的提高，人們對樓房的要求也越來越高，高層建筑不僅要舒適，還要具有安全性、經(jīng)濟(jì)性等，本文就針對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行簡單的探討。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著社會的發(fā)展，我國城市的用地面積越來越少，城市的建筑也越來越趨于向高層建筑發(fā)展，現(xiàn)在大部分樓層都在十幾層以上，三四十層高的樓也已經(jīng)不少見。建筑的體型和功能越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)材料也更為多樣化，這樣的高層建筑，其結(jié)構(gòu)設(shè)計也就成為結(jié)構(gòu)工程師的難點和重點。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念及內(nèi)容

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是指根據(jù)高層建筑特性的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，在滿足適用、安全、經(jīng)濟(jì)、耐久和施工可行的前提下，按有關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、總體布置、計算、構(gòu)造及制圖工作，并尋求優(yōu)化的過程。簡單來說，就是用結(jié)構(gòu)語言表達(dá)出工程師們想表達(dá)的東西。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，就是把建筑物或者建筑結(jié)構(gòu)體系中的墻、柱子、樓梯、梁等用圖紙中的結(jié)構(gòu)元素來表示出來，同時還要計算出它的抗力及承重等能力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要包括結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)計算及施工圖設(shè)計三個階段，每個階段對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說都是很重要的。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

2.1 水平力成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素

當(dāng)建筑物高度增加時，水平荷載(風(fēng)荷載及地震作用)對結(jié)構(gòu)起的作用將愈來愈大。除了結(jié)構(gòu)內(nèi)力將明顯加大外，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移增加更快。我們知道：建筑物樓面的使用荷載和自重在豎向構(gòu)件產(chǎn)生的彎矩和軸力與其高度的一次方成正比，水平荷載產(chǎn)生的彎矩及軸力與建筑物高度的二次方成正比，水平荷載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)側(cè)向位移與建筑高度的四次方成正比。因此，在高層建筑中，結(jié)構(gòu)要使用更多材料來抵抗水平力，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)動力性的不同而有較大的變化，所以結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力設(shè)計成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素。

2.2 高層建筑中的側(cè)移控制

與低層建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的另一個關(guān)鍵因素就是側(cè)移，當(dāng)建筑越高時，結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形就會越大。過大的結(jié)構(gòu)側(cè)移會造成顯著的重力二階效應(yīng)，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大并影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，過大的側(cè)移也會造成建筑構(gòu)件或設(shè)備的破壞以及使用者的不適。對于一定的水平作用，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大，那么結(jié)構(gòu)側(cè)移就小。但過剛的結(jié)構(gòu)也會造成結(jié)構(gòu)地震作用不必要的增大，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計中要控制結(jié)構(gòu)的合理剛度，把側(cè)移控制在合理范圍。

2.3 更高的抗震設(shè)計要求

抗震設(shè)防區(qū)的高層建筑必須具有良好的抗震性能，做到小震不壞，中震可修，大震不倒。相對與多層結(jié)構(gòu)，高層結(jié)構(gòu)在地震作用下，具有更大的水平作用及側(cè)移，因此，高層建筑平立面也更講究規(guī)則性，結(jié)構(gòu)要求具有更高的抗震等級。對于一些較高的高層建筑或具有薄弱層的高層建筑，也要求進(jìn)行彈塑性分析進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計。

2.4 高層建筑豎向壓縮變形不容忽視

高層建筑中，豎向構(gòu)件的軸力往往較大，其產(chǎn)生的壓縮變形量往往相當(dāng)可觀，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮到豎向構(gòu)件的壓縮變形。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計需選擇合適的結(jié)構(gòu)體系

在結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，結(jié)構(gòu)體系的選擇是很重要的一步，合理的結(jié)構(gòu)體系不但可滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，更具有良好的經(jīng)濟(jì)性及更高的結(jié)構(gòu)安全富余。常用的結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)體系，剪力墻結(jié)構(gòu)體系，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系以及筒體結(jié)構(gòu)體系。

3.1 框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)主要由梁柱等桿件單元形成空間的框架結(jié)構(gòu)體系，可以承受豎向荷載及一定的水平力的作用。框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是計算理論成熟，桿件受力明確，結(jié)構(gòu)的布置靈活，一定高度內(nèi)造價較低。缺點是抗側(cè)剛度較弱，在水平力作用下會產(chǎn)生較大的側(cè)移，且大部分側(cè)移發(fā)生在內(nèi)力較大的結(jié)構(gòu)底部部位，破壞后易產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此框架結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于層數(shù)較少，高度較低的建筑中。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)是空間盒子式結(jié)構(gòu)，其水平作用和豎向荷載完全由剪力墻體承受，其剛度及空間整體性都比較好。剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點是抗水平作用能力強(qiáng)、整體性好、用鋼量較小，可以適用較高的建筑。缺點是因剪力墻布置的要求，不易布置成較大的房間。因此剪力墻結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于住宅及賓館類建筑中。

3.3 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系

在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，可以組成框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度和較強(qiáng)的抗水平作用的能力，因而廣泛地應(yīng)用于高層建筑中的辦公樓和旅館。

3.4 筒體結(jié)構(gòu)體系

這種體系是在框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)的體系上發(fā)展起來，當(dāng)高層建筑不斷地增加層數(shù)、高度越來越高時，原來的框架、剪力墻結(jié)構(gòu)就變得不合理和不經(jīng)濟(jì)了，簡體結(jié)構(gòu)就相應(yīng)地誕生了，它是將剪力墻圍成箱型，構(gòu)成了一個空間薄壁筒體，可以提供更大的側(cè)向剛度，所以筒體結(jié)構(gòu)可以適用與更高的建筑。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)中需要注意的幾個問題

4.1 抗震設(shè)計中的注意事項

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的抗震設(shè)計是非常重要的一部分，它應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求，選擇規(guī)則的設(shè)計方案，規(guī)則結(jié)構(gòu)其剛度、承載能力及變形能力更強(qiáng)，不規(guī)則結(jié)構(gòu)一般會破壞整個結(jié)構(gòu)承受風(fēng)荷載、重力荷載及抗震能力，因此盡量選擇設(shè)計對稱、規(guī)則的結(jié)構(gòu)方案。另外，在抗震設(shè)計中，還要注意到結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的剛度、延性、穩(wěn)定性及承載力等方面性能，且要遵守強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)底層柱及弱構(gòu)件強(qiáng)節(jié)點的原則。對于結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，要采取措施加強(qiáng)其抗震的能力同時要重視整體結(jié)構(gòu)中其他部位的剛度及承載能力，以免薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移。

4.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的受力性能

在高層建筑結(jié)構(gòu)的最初設(shè)計方案中，注重點不應(yīng)該在它的具體結(jié)構(gòu)上而是更多地關(guān)注它空間組成的特點，這是因為建筑物的空間形式包括水平方向和豎向的穩(wěn)定性都是依靠建筑物的地面作為支撐的，建筑地面即地基對于建筑物來說是非常重要的，建筑物基本都是由大構(gòu)件組成的，它們的重量及結(jié)構(gòu)的荷載基本都是向下作用在地面上的，這就要求在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先要搞清楚所選擇的結(jié)構(gòu)體系與地面間承載力的關(guān)系，然后對承重墻和承重柱的分布及數(shù)量作出總體的設(shè)想，這是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中很重要的一部分，影響著建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體質(zhì)量。

4.3 關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中扭轉(zhuǎn)問題的注意

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，建筑結(jié)構(gòu)有個很重要的建筑三心即剛度中心、幾何形心和結(jié)構(gòu)重心，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時要盡量做到三心合一，而建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時沒有做到三心合一，并且在水平荷載的作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)盡量選擇合理的結(jié)構(gòu)平面布局及形式，使建筑盡量的三心合一，以免因水平荷載的作用使建筑發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。在實際的高層建筑中我們也經(jīng)常會看到一些不規(guī)則的平面形式如T形、L形及十字形等比較復(fù)雜的平面，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)該盡量讓突出部分的寬度和厚度的比值在規(guī)定的范圍之內(nèi)，讓它的結(jié)構(gòu)盡量處于對稱狀態(tài)。

4.4 對結(jié)構(gòu)計算階段的單位面積重度、剪重比及位移限值要注意

在結(jié)構(gòu)計算階段，單位面積重度是衡量樓層何在數(shù)據(jù)是否正確及構(gòu)建截面取值合不合理的重要指標(biāo)之一，其公式為V=G/A(kN/m2)。在同種性質(zhì)的建筑中，單位面積重度為層數(shù)較多的建筑要大于層數(shù)少的建筑，剪力墻多的大于剪力墻少的建筑。其剪重比的大小則反映了建筑在地震作用下抗震能力的大小，位移限值是衡量結(jié)構(gòu)側(cè)移的重要標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)值的大小從側(cè)面反映了結(jié)構(gòu)整體的剛度，剛度的過大或過小會給設(shè)計者對結(jié)構(gòu)體系、豎向及平面布置的合理性進(jìn)行再思考，對于結(jié)構(gòu)計算當(dāng)中的這些參考數(shù)值要給予重視，以便能制定出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

總結(jié)：

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計在高層建筑中起著非常重要的作用，同時它又是一項艱巨復(fù)雜的工作，需要結(jié)構(gòu)工程師不僅擁有豐富的專業(yè)知識及其工作經(jīng)驗還要有很好的耐性，依據(jù)高層建筑的設(shè)計原理及設(shè)計原則，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，從而建設(shè)出具有世界水平的高層建筑。

參考文獻(xiàn)

[1]顧明星.淺談高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].大科技·科技天地，2011(4)

[2]傅慧華.淺談高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2011(13)

[3]何輝，吳祖躍.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009(13)

[4]楊國建.淺談高層建筑混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].價值工程，2011(20)