現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)與設(shè)計淺析

摘要：隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設(shè)用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速發(fā)展。另一方面由于輕質(zhì)高強材料的開發(fā)及新的設(shè)計計算理論的發(fā)展，抗風和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術(shù)和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，特別是計算機的普及和應用以及結(jié)構(gòu)分析手段的不斷提高，為迅速發(fā)展高層建筑提供了必要的技術(shù)條件。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

高層建筑中的豎向荷載較大，容易引起軸向變形，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之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；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，會得出偏于不安全的結(jié)果。側(cè)移成為控制指標。與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)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)。結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)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。

2 高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

2.1 剪力墻體系

建筑物中的豎向承重構(gòu)件主要由墻體承擔時，剪力墻墻體既承擔水平構(gòu)件傳來的豎向荷載，同時承擔風力或地震作用傳來的水平荷載。剪力墻是建筑物的分隔墻和圍護墻，因此墻體的布置必須同時滿足建筑平面布置和結(jié)構(gòu)布置的要求。剪力墻結(jié)構(gòu)體系有很好的承載能力，而且有很好的整體性和空間作用，比框架結(jié)構(gòu)有更好的抗側(cè)力能力，因此，可建造較高的建筑物。剪力墻的間距應有一定限制，故不可能開間太大，對需要大空間時就不太適用、靈活性差，一般適用于住宅、公寓和旅館。剪力墻結(jié)構(gòu)的樓蓋結(jié)構(gòu)一般采用平板，可以不設(shè)梁，所以空間利用比較好，可節(jié)約層高。

2.2 框架-剪力墻體系

框架的體系強度和剛度在某些情況下并不能達到建筑要求，這時候就需要在建筑平面的適當位置設(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。

2.3 筒體體系

筒體體系就是一種采用作為一種抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系，其中包括多種形式：單筒體、筒體-框架、筒中筒、多束筒等多種型式。筒體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實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。筒體體系具有很大的剛度和強度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。

3 高層建筑的細部結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)平面的設(shè)計與布置

平面形狀的結(jié)構(gòu)相對簡單，且規(guī)則性強，盡量使得質(zhì)心和鋼心重合。偏心大的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應大，會加大端部構(gòu)件的位移，導致應力集中。平面突出部分不宜過長。扭轉(zhuǎn)是否過大，可用概念設(shè)計方法近似計算鋼心、質(zhì)心及偏心距后進行判斷，還可以比較結(jié)構(gòu)最遠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，可以認為扭轉(zhuǎn)太大而結(jié)構(gòu)不規(guī)則。高層建筑不應采用嚴重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，當由于使用功能與建筑的要求，結(jié)構(gòu)平面布置嚴重不規(guī)則時，應將其分割成若干比較簡單、規(guī)則的獨立結(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。

3.2 結(jié)構(gòu)立體的設(shè)計與布置

立體的結(jié)構(gòu)設(shè)計必然涉及到結(jié)構(gòu)的豎向布置，結(jié)構(gòu)豎向布置需要遵守規(guī)則、均勻原則。規(guī)則，主要是指體型規(guī)則，若有變化，亦應是有規(guī)則的漸變。體型沿豎向的劇變，將使地震時某些變形特別集中，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，嚴重的會引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化，也應下大上小逐漸變化，不應發(fā)生過大的突變。上下樓層收進使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生，對于收進的尺寸應當限制。

3.3 建筑基礎(chǔ)的設(shè)計與布置

高層建筑不同于多層建筑，其上層結(jié)構(gòu)的載荷很大，且基礎(chǔ)底面的壓力更大。應采用整體性好、能滿足地基的承載力和建筑物容許變形要求并能調(diào)節(jié)不均勻沉降的基礎(chǔ)形式。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)類型、層數(shù)、載荷及地基承載力，可以用筏型基礎(chǔ)或箱型基礎(chǔ)；當?shù)鼗休d力或變形不能滿足設(shè)計要求時，可以采用樁基或復合地基。筏型基礎(chǔ)一般有兩種做法：倒肋形樓蓋式和倒無梁樓蓋式。倒肋形樓蓋的筏基，板的折算厚度較小，用料較省，剛度較好，但施工比較麻煩，模板較費。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空間的利用，但地基開鑿施工麻煩，而且破壞了地基的連續(xù)性，擾動了地基土，會降低地基承載力；采用倒無梁樓蓋式的筏基，板厚較大，用料較多，剛度也較差，但施工較為方便，且有利于地下空間的利用。當?shù)鼗鶚O軟且沉降不均勻十分嚴重時，采用筏形基礎(chǔ)，其剛度會顯得不足，在這種情況下采用箱型基礎(chǔ)就較為合理。箱型基礎(chǔ)剛度大、整體性好、傳力均勻；能適應局部不均勻沉降較大的地基，有效地調(diào)整基地反力。在淺層地基承載力比較軟弱，而堅實土層距離地面又較深的時候，采用其他類型的基礎(chǔ)就不能滿足承載力或變形控制的要求。這時應當考慮采用樁基礎(chǔ)。樁承臺的作用是將上部荷載傳給樁，并使樁群連成整體，而樁又將荷載傳至較深的土層中區(qū)。樁距應盡可能的大，在充分發(fā)揮單樁承載力的同時，還能發(fā)揮承臺土的反力作用，以取得最佳效果。

4 高層建筑的消防設(shè)計

經(jīng)濟的快速發(fā)展使人們在追求美觀經(jīng)濟的同時，更加注重安全這個重要的環(huán)節(jié)，對于消防知識的普及，更代表著如今我國的高層建筑已逐步邁向了成熟發(fā)展的行列。

4.1 高層建筑的室外消防設(shè)計

對于高層建筑室外防排水消防的設(shè)計主要是有關(guān)給排水管網(wǎng)的設(shè)計與布置，一般常見的應不少于兩條管道，且管道直徑要保證在100毫米以上，避免出現(xiàn)因一條管道引起堵塞而使全局遭到影響，保證及時整體的水用量，且管道應是從市政管道引入而至。而對于其管道的布設(shè)則應符合下面幾個原則：應布置成兩條管道且均為圓環(huán)狀，避免因其中一條產(chǎn)生問題導致整個給排水系統(tǒng)的癱瘓，而兩條則可以滿足一條正在檢修但另一條處于正常使用的狀態(tài)。在該圓環(huán)管道的每個節(jié)點處均應設(shè)置相應的閥門對其水流量加以適當控制，通過對閥門的布設(shè)也恰好可以將每個管節(jié)有效地分為獨立的互不干擾的段節(jié)，且每段內(nèi)所含消火栓的數(shù)量要控制在5個以內(nèi)，專用于消防管道時，應保證其被埋置在凍土層20厘米以下。其實對于整個管道鋪設(shè)的全部過程都是有規(guī)定的，鋪設(shè)過程中要嚴格按照相應的規(guī)范進行，只有這樣才能真正保證在高層建筑消防設(shè)計方面能有新突破。

4.2 高層建筑的室內(nèi)消防設(shè)計

高層建筑室內(nèi)的消防設(shè)計則更應得到深度細化，各項設(shè)備要準備齊全，一般常見有消防水槍和水帶、消防的管道及消防栓和消防卷盤、消防水泵接合器、消防水池和水箱以及增壓和啟動消防水泵的各項設(shè)備等，對于給排水消防的方式主要有兩種高壓消火栓的給排水系統(tǒng)和臨時高壓的消火栓給排水系統(tǒng)。另外關(guān)于消防水池的布設(shè)，一般是將室內(nèi)與室外的消防水池放在一起進行全面的考慮。因為如果平時的給水量很充足的話，一般是不用再另外設(shè)置的，只有對于一些水源有時會供應不上的高層建筑，則很有必要布設(shè)這樣的消防水池，以備不時之需。對于高層及超高層的消防可以說難度是比較大的，所以為了避免在消防的過程中出現(xiàn)水源緊缺的現(xiàn)象，同時又能方便消防隊員正常工作展開，一般要求對于高層或超高層的消防栓的存放位置要進行合理的豎向分布，且其間隔要控制在50米左右的范圍，以便于消防工作的快速順利進行。

參考文獻

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