淺談城市高層建筑結(jié)構(gòu)的選型及抗風(fēng)設(shè)計(jì)

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，高層建筑在我國(guó)的一些大中城市發(fā)展迅速，大大豐富了城市景觀，與此同時(shí)高層建筑的結(jié)構(gòu)類型和功能也更加趨向于復(fù)雜化和多樣化，為此，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也就提出了更高的要求。在本文中，筆者主要從高層建筑結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)、抗風(fēng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面論述了城市高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

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

近代隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是鋼鐵、電梯的出現(xiàn)以及后來(lái)鋼筋混凝土的應(yīng)用，為高層建筑發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的機(jī)遇，高層建筑也成為城市空間中一道獨(dú)特的風(fēng)景。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)城市而言，高層建筑往往具有一定的代表性和象征性，可以反映一個(gè)城市經(jīng)濟(jì)水平和發(fā)展程度，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如果高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型不當(dāng)，任憑再用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)理論和精確的計(jì)算方法，也較難作出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。正確處理高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型問(wèn)題，對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，具有重要意義。

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的分類

高層建筑結(jié)構(gòu)體系按結(jié)構(gòu)形式分類主要有：框架結(jié)構(gòu)；抗震墻結(jié)構(gòu)；框架—抗震墻結(jié)構(gòu)；筒體結(jié)構(gòu)；部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)；板柱—抗震墻結(jié)構(gòu)等等。不同的結(jié)構(gòu)體系所具有的強(qiáng)度和剛度是不一樣的，因此它們適用的高度也不同。各種結(jié)構(gòu)形式適用的高度范圍在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中有明文規(guī)定。一般地，框架結(jié)構(gòu)布置靈活，具有較大的室內(nèi)空間，在考慮抗震設(shè)防要求的建筑中，由于框架梁柱截面較小，抗震性能差，剛度較低，而且高層建筑中的框架填充墻在地震中破壞嚴(yán)重，修復(fù)費(fèi)用較高。故其多用于高度低、層數(shù)少的公共建筑。框架—抗震墻結(jié)構(gòu)既具有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、方便使用的特點(diǎn)，又有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震性能，多用于公共建筑和旅館建筑等。抗震墻結(jié)構(gòu)剛度很大，空間整體性好，承載力大，在水平力作用下側(cè)移小，用鋼量較省。它比較適用于高層住宅及旅館建筑等隔墻較多的建筑。一般框架—抗震墻結(jié)構(gòu)和抗震墻結(jié)構(gòu)可以滿足大多數(shù)建筑物的高度要求；筒體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大、空間受力性能好，當(dāng)建筑物的層數(shù)多、高度大、設(shè)防烈度高時(shí)，采用前述幾種結(jié)構(gòu)體系往往難于滿足要求，可用筒體結(jié)構(gòu)。

1.2 結(jié)構(gòu)選型階段要注意的問(wèn)題

一是要注重結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。由于新、舊規(guī)范在這一方面出現(xiàn)了比較大的變化，新規(guī)范在此增加了比較多的限制因素。比如平面規(guī)則性方面的信息、嵌固端上、下層之間剛度比方面的信息等。與此同時(shí)，新規(guī)范采取了強(qiáng)制性規(guī)定，要求建筑物不能采用嚴(yán)重不規(guī)則之設(shè)計(jì)方案。所以，工程技術(shù)人員在明確新規(guī)范的限制條件中一定要加以注意，從而避免出現(xiàn)后期施工圖設(shè)計(jì)階段之被動(dòng)。

二是要注重結(jié)構(gòu)的超高性。新規(guī)范在應(yīng)對(duì)超高問(wèn)題上，除了把原先的限制高度設(shè)置為A級(jí)高度之外，同時(shí)還應(yīng)增加B級(jí)高度之建筑。所以，一定要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)中的這一項(xiàng)控制因素加以注意，假如結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑，或者已經(jīng)超過(guò)了B級(jí)高度，那么其設(shè)計(jì)方法與處理方法都將出現(xiàn)一個(gè)相當(dāng)大的變化。在具體的工程設(shè)計(jì)之中，出現(xiàn)過(guò)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)類型之變更而忽略這一問(wèn)題的情況，從而造成施工圖在審查時(shí)未能通過(guò)，一定要重新做出設(shè)計(jì)，這對(duì)于工程的工期與造價(jià)等總體規(guī)劃存在著相當(dāng)大的影響。

三是要注重嵌固端設(shè)置。因?yàn)楦邔咏ㄖ毡閹в卸踊蛘叨右陨系牡叵率遗c人防工程，嵌固端極有可能被設(shè)置于地下室的頂板上，同時(shí)也有可能被設(shè)置于人防頂板等處。例如，對(duì)嵌固端樓板設(shè)計(jì)、加強(qiáng)對(duì)嵌固端上下層剛度比限制、在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體運(yùn)算時(shí)做好嵌固端設(shè)置等。假如忽視了其中的任何一方面，均有可能對(duì)后期設(shè)計(jì)工作造成大量安全隱患。

2 高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的破壞形式

主體結(jié)構(gòu)開(kāi)裂或損壞，如位移過(guò)大引起框架、剪力墻、承重墻裂縫或結(jié)構(gòu)主筋屈服；層間位移引起非承重隔墻開(kāi)裂；局部風(fēng)壓過(guò)大引起玻璃、裝飾物、圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞；建筑物的頻繁、大幅度擺動(dòng)使居住者感到不適；長(zhǎng)期的風(fēng)致振動(dòng)引起結(jié)構(gòu)疲勞，導(dǎo)致破壞。

2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的一搬設(shè)計(jì)原則

保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，能可靠地承受風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力；結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度，控制高層建筑在水平荷載作用下的位移，保證良好的居住和工作條件；選擇合理的結(jié)構(gòu)體系和建筑外形。采用較大的剛度可以減少風(fēng)振的影響；圓形、正多邊形平面可以減少風(fēng)壓的數(shù)值；盡量采用對(duì)稱平面形狀和對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置，減少風(fēng)力偏心產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)影響；外墻、玻璃、女兒墻及其它圍護(hù)構(gòu)件必須有足夠的強(qiáng)度并與主體結(jié)構(gòu)可靠地連接，防止局部破壞。

2.3 抗風(fēng)設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容

2.3.1 風(fēng)荷載的計(jì)算

我國(guó)規(guī)范GB50068-2001《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)荷載統(tǒng)計(jì)采用50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，并且用平穩(wěn)二項(xiàng)隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述荷載的隨機(jī)過(guò)程。氣流遇到建筑物時(shí)，在建筑物表面上產(chǎn)生壓力或吸力，即形成風(fēng)荷載，其大小主要與近地風(fēng)的性質(zhì)、風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)，也與建筑的高度、形狀和地表面狀況有關(guān)。

根據(jù)新規(guī)范進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算，風(fēng)荷載作用面積應(yīng)取垂直于風(fēng)向的最大投影面積：

式中：為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；為基本風(fēng)壓(kN/m2)；為風(fēng)壓高度變化系數(shù)；為風(fēng)荷載體型系數(shù)；范圍為高度處的風(fēng)振系數(shù)。

2.3.2 風(fēng)荷載作用下高層建筑的振幅、震動(dòng)速度和加速度控制

2.3.3 高層建筑的水平位移指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的變形響應(yīng)主要作以下兩方面的限制：①限制結(jié)構(gòu)的頂端水平位移u與總高度H的比值(u/H)，目的是控制結(jié)構(gòu)的總變形量；②限制相鄰兩層樓蓋間的相對(duì)水平位移Δh與層高h(yuǎn)的比值(Δu/h)，一般Δu /h在結(jié)構(gòu)的各層中具有不同的比值，且往往最大的Δu/h要超過(guò)u/H的限值。限制最大的Δu/h目的是防止填充墻、裝飾部件的損壞，避免電梯軌道和管道等設(shè)施產(chǎn)生過(guò)大的變形。

高層建筑結(jié)構(gòu)的變形控制對(duì)于控制風(fēng)振側(cè)移是非常重要的，結(jié)構(gòu)側(cè)移特別是層間側(cè)移是決定建筑物破壞程度的因素，因此能否將側(cè)移控制在允許限度內(nèi)，是檢驗(yàn)抗側(cè)力體系有效性的重要指標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在城市中涌現(xiàn)出越來(lái)越多的高層建筑。做為高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷學(xué)習(xí)和提高，重視結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究成果，結(jié)合施工實(shí)踐，通過(guò)大量工程經(jīng)驗(yàn)的積累，作出技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的各種高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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