現(xiàn)代建筑結構設計關鍵技術分析

王恒邦

[摘要]隨著我國城市化的發(fā)展，以及各地建筑用地趨向于緊張，我國的高層建筑的設計與建造將會越來越多。高層建筑在設計時不僅僅需要考慮其整體的安全性，更需要確保建筑結構的合理性與經濟性。

[關鍵詞]高層建筑；結構設計；技術

[中圖分類號]F407.9 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0251-01

1 高層建筑結構設計的特點

1.1 高層建筑在設計時的最主要的因素之一就是水平力

多層建筑以及底層房屋的結構中，大多是采用重力為主的豎向荷載來控制結構的設計。但是在高層建筑的結構中，盡管豎向荷載仍然會對結構的設計產生較大的影響，但是水平荷載卻對其結構有著決定性的作用。這主要是因為高層建筑的自重以及樓面使用荷載在豎向構件中引起的彎矩以及軸力值僅僅和高層建筑的高度的一次方呈現(xiàn)正比例；但是水平荷載卻會對其結構產生覆力矩，并且覆力矩在建筑豎向構件中會引起軸力，這個軸力與高層建筑的高度的二次方呈現(xiàn)正比例。從另一方面來說，高層建筑若是高度一定，那么其豎向荷載某種程度上是一個定值，但是水平荷載的地震作用以及風荷載的數(shù)據(jù)卻會因為不同的結構動力性而發(fā)生較大的改變。

1.2 側移是高層建筑的控制指標

相比較于底層的建筑，高層建筑的結構設計過程中的一個關鍵性的因素是結構側移。高層建筑的層數(shù)在不斷地增加的同時，其高度也在不斷地增加，此時建筑水平荷載下面的結構側移就會很快地增大，所以建筑的水平荷載作用下的側移應該要被控制在某一個范圍內。

1.3 高層建筑的抗震要求高

高層建筑在結構設計時需要考慮抗震因素，此時除了需要考慮在正常狀態(tài)下建筑的風向荷載以及豎向荷載之外，還需要確保建筑的結構具有很好的抗震效能，要經得住考驗，達到大震不倒、小震不壞的標準。

1.4 高層建筑的軸向變形是一個不容忽視的問題

高層建筑往往都具有很大的豎向荷載，這樣就很容易在柱中引起大的軸向變形，隨后便會對連續(xù)梁彎矩產生較大的影響，進而降低連續(xù)梁中間的支座處的負彎矩值，增大端支座的負彎矩值以及跨中正彎矩。并且還較大地影響預制構件的下料長度，從而需要依據(jù)軸向變形算出相應的數(shù)值，調整下料的長度；另外一個方面，由于會影響到側移以及構件剪力，相比較于構件的豎向變形，會產生出一個低于安全的結果。

1.5 高層結構設計的一個重要指標就是結構延伸

相比較于底層樓房，高層建筑的結構相對要更加的柔一些，在地震的作用下會產生更大的形變，所以為了讓高層建筑的機構在經歷塑性變形階段以后仍然具有很強的變形能力，避免在地震中倒塌，在設計時可以在構造上面采取合適的措施來確保其具有較大的延伸性。

2、高層建筑在結構設計時的關鍵技術

2.1 高層建筑的結構受力性能

高層建筑在設計的最初階段，建筑師更多的是考慮建筑物的結構特點，而并不是考慮建筑物具體的結構特點。建筑物的底面非常重要地影響這建筑物空間形式的水平方向的穩(wěn)定以及豎向穩(wěn)定。又因為一個建筑物往往都是由一些重并且大的構件所組成，所以建筑物的結構需要將它本身的重量傳到地面，建筑結構的荷載往往都是向下作用到地面。所以一個建筑物的設計的最開始就需要搞明白它所選用的體系中從上向下的作用力與建筑物地基的承載力間的關系。因此在建筑物設計階段，應該設想出建筑物承重墻和承重柱的分布以及數(shù)量。

2.2 高層建筑在結構設計過程中的扭轉問題

建筑物結構中的剛度中心、幾何形心以及結構重心就是人們常說的建筑三心，在結構設計階段就盡可能要求建筑三心匯于一點，也就是三心合一。而結構扭轉問題指的就是建筑物在結構設計時沒有能夠三心合一，水平荷載會導致建筑物的結構發(fā)生扭轉振動效應。所以為了減少建筑物因為水平荷載作用而產生扭轉，在結構設計階段應該選擇合理的水平布局以及結構形式，最大限度地做到建筑物的三心合一。

2.3 高層建筑在結構中的振動周期以及側移

建筑結構在結構中的振動周期通常包含兩個方面：控制建筑的子真周期從而盡可能地與開場地的特征周期錯開；合理地控制建筑的自振周期。

2.3.1 建筑結構中的自振周期

高層建筑結構的自振周期（T1）應該控制在以下范圍：

建筑的框架結構：T1=（0.1-0.15）N

框筒、框一剪結構：T1=（0.08-0.12）N

筒中筒、剪力墻結構：TI=（0.04-0.10）N

N是建筑的結構層數(shù)

高層建筑結構的第2周期以及第3周期應該控制在以下范圍：

第二周期：：T2=（1/3-I/5）TI

第三周期：T3=（1/5-1/7）TI。

2.3.2 建筑物的共振問題

當建筑物所在地發(fā)生地震的時候，假若建筑物場地的特征周期與其自振周期相接近，那么場地與建筑物便會發(fā)生共振，所以高層建筑在設計初應該評估場地的特征周期，從而調整建筑物的結構層數(shù)，選擇合適的結構體系和類別，從而放大場地特征周期與建筑物自振周期的差別，從而防止共振的發(fā)生。

2.3.3 建筑物的水平位移特征

假若建筑物的水平位移能夠滿足高層規(guī)程，此時并不能夠說明該建筑的結構設計是合理的。我們應該綜合考慮的真理的大小以及周期等因素。因為高層建筑的結構設計抗震時，地震力的大小會直接與建筑物的結構剛度有關，當建筑物的結構剛度小的時候，假若地震力較小，此時建筑物的結構位移也小，位移會控制在合理的范圍內，但是這個時候我們不能認為該建筑物的設計是合理的。由于地震力并不安全、建筑物的結構周期長，另外建筑物的位移曲線理論上是連續(xù)的，在豎向上發(fā)生剛度突變以外，不會有明顯的折點護著拐點，所以通暢情況下剪力墻結構應該是彎曲的位移曲線，而框架結構應該是剪切型的位移曲線，框一筒結構以及t框一剪結構應該是彎剪型位移曲線。

2.4 位移限值、單位面積重度、剪重比

2.4.1 結構的側移在位移限值的計算過程中是一個非常重要的標準，它可以從側面反映出結構的剛度是不是合適，其結果會引起設計者對建筑結構的水平以及豎向的合理性、結構體系的選擇進行思考。

2.4.2 單位面積重度以及剪重比是反映在地震條件下建筑物反應大小的一個重要指標，其數(shù)值影響這建筑物抗震能力。當建筑物的防震能力在7、8、9度時，其剪重比應該分別是為0.012，0.024.0.04。建筑的基本周期小于3.5S或者扭轉效應明顯時，其剪重比應該分別是0.016，0.032，0.064。單位面積重度是建筑結構構建截面取值是不是合理的衡量指標，同時也是樓面荷載是不是正確的一個重要的衡量指標。

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