高層建筑結(jié)構(gòu)設計研究

任元元

隨著城市化發(fā)展以及建筑用地的緊張，高層建筑將日益增多。高層建筑的結(jié)構(gòu)設計不僅應保證高層建筑具有足夠的安全性，還應保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、合理性。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設計中的幾個問題進行探討。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設計的意義及依據(jù)

1.1 概念設計的意義高層建筑能做到結(jié)構(gòu)功能與外部條件一致，充分展現(xiàn)先進的設計，發(fā)揮結(jié)構(gòu)的功能并取得與經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)，更好地解決構(gòu)造處理，用概念設計來判斷計算設計的合理性。

1.2 概念設計的依據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)總體系與各分體系的工作原理和力學性質(zhì)，設計和構(gòu)造處理原則，計算程序的力學模型和功能，吸取或不斷積累的實踐經(jīng)驗。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點

高層建筑結(jié)構(gòu)設計與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設置、施工技術(shù)的要求、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有：

2.1水平力是設計主要因素在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設計。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。

2.2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)。

2.3抗震設計要求更高有抗震設防的高層建筑結(jié)構(gòu)設計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

2.4軸向變形不容忽視高層建筑中，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，會得出偏于不安壘的結(jié)果。

2.5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。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)設計的幾個問題

3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能

對于一個建筑物的最初的方案設計，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點，而不是詳細地確定它的具體結(jié)構(gòu)。建筑物底面對建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，所以，在建筑設計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設想。

3.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設計中的扭轉(zhuǎn)問題

建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心，在結(jié)構(gòu)設計時要求建筑三心盡可能匯于一點。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設計過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動效應。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞，應在結(jié)構(gòu)設計時選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。

3.3 高層建筑結(jié)構(gòu)設計中的側(cè)移和振動周期

建筑結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)的振動周期問題包含兩方面：合理控制結(jié)構(gòu)的自振周期；控制結(jié)構(gòu)的自振周期使其盡可能錯開場地的特征周期。

（1）結(jié)構(gòu)自振周期高層建筑的自振周期（T 1）宜在下列范圍內(nèi)：

框架結(jié)構(gòu)：T1=（0.1—0.15）N框一剪、框筒結(jié)構(gòu)：T1=（0.08-0.12）N剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)：TI=（0.04—0.10）N N為結(jié)構(gòu)層數(shù)。

結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi)：

第二周期：T2=（1/3—1/5）T1；第三周期：T3=（1/5—1/7）T1.

（2）共振問題當建筑場地發(fā)生地震時，如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近，建筑物和場地就會發(fā)生共振。因此在建筑方案設計時就應針對預估的建筑場地特征周期，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù)，選擇合適的結(jié)構(gòu)類別和結(jié)構(gòu)體系，擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別，避免共振的發(fā)生。

（3）水平位移特征水平位移滿足高層規(guī)程的要求，并不能說明該結(jié)構(gòu)是合理的設計。同時還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因為結(jié)構(gòu)抗震設計時，地震力的大小與結(jié)構(gòu)剛度直接相關(guān)，當結(jié)構(gòu)剛度小，結(jié)構(gòu)并不合理時，由于地震力小則結(jié)構(gòu)位移也小，位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)，此時并不能認為該結(jié)構(gòu)合理。因為結(jié)構(gòu)周期長、地震力小并不安全。其次，位移曲線應連續(xù)變化，除沿豎向發(fā)生剛度突變外。不應有明顯的拐點或折點。一般情況下剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線應為彎曲型。框架結(jié)構(gòu)的位移曲線應為剪切型t框一剪結(jié)構(gòu)和框一筒結(jié)構(gòu)的位移曲線應為彎剪型。

3.4 位移限值、剪重比及單位面積重度

（1）位移限值在結(jié)構(gòu)整體計算的輸出結(jié)果中，結(jié)構(gòu)的側(cè)移（包括層間位移和頂點位移）是一個重要的衡量標準，其數(shù)值大小從一個側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)的整體剛度是否合適，過大或過小都說明結(jié)構(gòu)剛度過小或過大（或者體現(xiàn)結(jié)構(gòu)兩個主軸方向的剛度是否均衡），以致要引起設計者對其中的結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)的豎向及平面布置合理性的再思考。

（2）剪重比及單位面積重度結(jié)構(gòu)的剪重比（也即水平地震剪力系數(shù)）λ=VEK/G是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下反應大小的一個指標.其大小主要與結(jié)構(gòu)地震設防烈度有關(guān)，其次與結(jié)構(gòu)體型有關(guān)，當設防烈度為7、8、9度時，剪重比分別為0.012，0.024.0.040；扭轉(zhuǎn)效應明顯或基本周期<3.5 s的結(jié)構(gòu)剪重比則分別為0.016，0.032，0.064.單位面積重度v0=G/A（kN/m2）是衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面取值是否合理和樓層荷載數(shù)據(jù)輸入是否正確的一個重要指標。式中的G由以下幾部分，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、樓面建筑面層及天棚抹灰（或吊頂）重、填充墻（包括抹面層）重和樓面使用荷載組成；A則一般以地面以上的建筑面積總和計算，以便有一個相對準確的比較標準。定性地分析比較r 0值的大小，可得出以下結(jié)果，即一般內(nèi)部隔墻多的建筑（比如住宅）大于間隔墻少的建筑（比如敝開式辦公室）；層數(shù)多的建筑略大于層數(shù)少的同性質(zhì)建筑}設防烈度高的建筑大干設防烈度低的同性質(zhì)同規(guī)模建筑，剪力墻多的建筑大于剪力墻少甚至僅為框架的建筑。一般高層建筑的單位面積重度在10-18kN/m2之間，除個別較特別的以外，多數(shù)在15kN/m2左右。

以上兩個指標不僅在施工圖設計階段，而且在初步設計階段都是非常重要的數(shù)據(jù)，其數(shù)值正常與否從另一個側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)體系的選擇是否合適，結(jié)構(gòu)布置（包括構(gòu)件截面確定）是否合理，電算數(shù)據(jù)輸入是否正確，以及最后決定電算結(jié)果是否可信可用等，因此結(jié)構(gòu)設計者對這兩個指標切不可掉以輕心，更不可認為是無關(guān)緊要的。