探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素

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摘要：人口的不斷增長，建筑用地的逐漸增多，加快了我國高層建筑的建設(shè)步伐。只有對高層建筑進(jìn)行高效地、準(zhǔn)確地分析，才能保證高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。本文闡述了高層建筑定義，分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，探討了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素。

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

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)劃中對空間規(guī)劃有了一定的需求，高層建筑結(jié)構(gòu)已越來越成為城市建筑的重點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，高層建筑結(jié)構(gòu)因較多層建筑要具有較大的復(fù)雜性，因此在設(shè)計(jì)中要綜合多方面因素進(jìn)行考慮，對各部位的受力情況及參數(shù)的選取要進(jìn)行仔細(xì)的分析和研究，從而保證高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全，以免留下設(shè)計(jì)中的安全隱患，從而保證高層建筑的安全性。

一、高層建筑定義

超過一定高度和層數(shù)的多層建筑為高層建筑，其高度和層數(shù)，各國規(guī)定不一，且多無絕對、嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。在美國，24.6m或7層以上視為高層建筑；在日本，31m或8層及以上視為高層建筑；在英國，把不小于24.3m的建筑視為高層建筑。而中國自2005年起規(guī)定超過10層的住宅建筑和超過24m高的公共建筑及綜合性建筑為高層建筑。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1、水平力是設(shè)計(jì)的主要因素

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，隨著高度的增加，水平力的作用會使建筑物產(chǎn)生內(nèi)力和位移，這源于高度的不斷增加。把房屋結(jié)構(gòu)看成一根最簡單的豎向懸臂構(gòu)件，軸力與高度成正比；水平力產(chǎn)生的彎矩與高度的二次方成正比；水平力產(chǎn)生的側(cè)向頂點(diǎn)位移同建筑的高度的有著正向的關(guān)系。所以水平力的設(shè)計(jì)上我們可以給出其數(shù)值是隨著動力的變化而幻化的。

2、側(cè)向位移是重要控制指標(biāo)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，隨著建筑高度的變高，側(cè)移變形會快速增加，當(dāng)然這是在水平荷載下結(jié)構(gòu)的分析，這是的結(jié)構(gòu)一定要保持足夠的剛度及抵抗側(cè)向力，結(jié)構(gòu)在水平力作用下所產(chǎn)生的側(cè)向位移限制在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。如側(cè)向位移會產(chǎn)生主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)較大裂縫，甚至損壞現(xiàn)象。

3、承載力是基礎(chǔ)要素

與低層、多層建筑相比，高層建筑需要更嚴(yán)格的承載力。假使地基或樁基情況不發(fā)生改變，高層建筑設(shè)計(jì)也應(yīng)該減輕自身的重量。如在高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)有足夠承載力，必須具有足夠的剛度；控制在風(fēng)荷載作用下的位移值，保證有良好的居住和工作條件；外墻、窗玻璃、女兒墻及其他圍護(hù)和裝飾構(gòu)件，必須有足夠的承載力，并與主體結(jié)構(gòu)有可靠的連接，防止房屋在風(fēng)荷載作用下發(fā)生部分損壞的可能。例如，建筑物質(zhì)量過大會導(dǎo)致期重心在地震中發(fā)生傾覆力，會導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)的抗震能力減弱。

4、結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

高層結(jié)構(gòu)在水平力作用下的形變一定會比底層建筑要大。所以，讓建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的延性，能在實(shí)際中避免建筑物的倒塌。這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就變得可塑，變成具有一定變形能力的物體，這個(gè)好處又如彈簧可以回彈一樣。

三、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系

1、框架-剪力墻體系

當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時(shí)，往往需要在建筑平面的適當(dāng)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(shí)，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?？蚣?剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置，增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時(shí)框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架-剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

2、剪力墻體系

當(dāng)受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時(shí)，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu)，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強(qiáng)度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強(qiáng)，是一種良好的結(jié)構(gòu)體系，能建高度大于框架或框架-剪力墻體系。

3、筒體體系

凡采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、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(shí)腹筒和空腹筒兩種類型。實(shí)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(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素

1、高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)可以分為三項(xiàng)，第一項(xiàng)，高層建筑基礎(chǔ)要足夠的耐久，因?yàn)楦邔咏ㄖA(chǔ)處于地下位置，經(jīng)常受潮或者是受到地下水的浸漬，所以這就要求高層建筑的基礎(chǔ)采用的材料具有耐久性能高的特點(diǎn)，比如加大鋼筋混凝土基礎(chǔ)中的鋼筋保護(hù)層；第二項(xiàng)，高層建筑的基礎(chǔ)厚度要足夠，這樣才能保證安全的承接高層建筑上層結(jié)構(gòu)傳來的荷載，并且最大程度均勻的再傳到高層建筑的地基上；第三項(xiàng)，高層建筑基礎(chǔ)方案要綜合性的加以考慮，不僅要考慮高層建筑的整體高度以及相鄰建筑的影響，而且還要考慮高層建筑受到?jīng)_擊后是否可以達(dá)到變形穩(wěn)定的要求，達(dá)到合理、經(jīng)濟(jì)的施工條件。

高層建筑物最明顯的特征就是樓層多，建筑物本身高。但是，隨著建筑物高度的不斷加大，在抗震性能和建筑質(zhì)量方面都面臨著更嚴(yán)峻的問題。出于高層建筑抗震性能的較高需要，建筑規(guī)范對建筑物的高度作出了嚴(yán)格的規(guī)定，在高度設(shè)計(jì)方面要確保滿足抗震的實(shí)際需要。在目前的高層建筑市場中，仍然存在著嚴(yán)重的超高問題。針對建筑物的超高問題，建筑規(guī)范逐漸將限制的高度設(shè)為A 級高度，還在一定程度上細(xì)化了高度規(guī)則，增加了B 級高度。這種較為明細(xì)化的建筑物高度規(guī)范使得高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和措施有了一定的改進(jìn)。此外，針對更為明細(xì)化的建筑物高度限制，各個(gè)高層建筑工程都應(yīng)該重視建筑物超高現(xiàn)象，在施工圖紙審核時(shí)都應(yīng)該發(fā)現(xiàn)問題，并在問題中對建筑物高度進(jìn)行重新論證，防止對整個(gè)建筑工程的造價(jià)和工程進(jìn)度造成嚴(yán)重的影響。

2、短肢剪力墻設(shè)置

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要重視短肢剪力墻設(shè)置問題。在我國新的建筑規(guī)范中，明確規(guī)定了短肢剪力墻的定義，也對短肢剪力墻的使用作出了相關(guān)限制。短肢剪力墻是指建筑物

墻肢截面的高度比和厚度比在5 - 8 的墻，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量使用短肢剪力墻。因此，高層建筑在設(shè)計(jì)的過程中，要盡力地避免使用短肢剪力墻。

3、嵌固端的設(shè)置問題

高層建筑的嵌固端一般設(shè)計(jì)在二層或二層以上的地下室頂板之上，也會設(shè)計(jì)在二層或二層以上的人防頂板上。而在嵌固端設(shè)置的時(shí)候，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師很容易忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的問題，如嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比限制、嵌固端上下層抗震等級一致性、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置、嵌固端位置協(xié)調(diào)等等問題。當(dāng)這些問題中的任何一個(gè)問題都會讓建筑設(shè)計(jì)后期的工作重復(fù)修改，很容易埋下建筑安全隱患。

4、結(jié)構(gòu)規(guī)則性問題

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新規(guī)范中，規(guī)則性被作出了諸多限制。例如，規(guī)定了結(jié)構(gòu)嵌固端上下層的剛度比、平面規(guī)則性等。此外，新規(guī)范明確采用了強(qiáng)制性的條列進(jìn)行規(guī)定，建筑不應(yīng)該采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。但是，目前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，仍然存在著一些違反規(guī)則性問題的現(xiàn)象，直接影響了高層建筑的整體質(zhì)量。因此，為了防止后期施工圖紙工作上的被動整改現(xiàn)象的出現(xiàn)，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該要注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的規(guī)則性問題，充分利用結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析工具或方法，盡量遵守相關(guān)規(guī)則，促進(jìn)高層建筑整體質(zhì)量的提高。

5、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的共振

共振發(fā)生的條件是，建筑物的自震周期和發(fā)生地震場所的特征周期相同或比較接近，所以可以采取針對性估計(jì)建筑物發(fā)生地震場所的特征周期，然后增大高層建筑物的自震周期和建筑物發(fā)生地震場所的特征周期的差距，來達(dá)到避免發(fā)生共振的效果。

6、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的水平移動

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中水平位移不應(yīng)停留在僅滿足于高層建筑規(guī)程的要求，還要注意對周期和地震等因素的綜合性考慮。比如在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，由于地震力的大小與結(jié)構(gòu)剛度大小相關(guān)，成正比關(guān)系，所以設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)剛度小，但是位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)周期長，地震力小，所以這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不合理的。

總之近些年來，我國的高層建筑的建設(shè)發(fā)展越來越快。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師不能忽略結(jié)構(gòu)方案的具體情況，而需要重視結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性，做好結(jié)構(gòu)方案的合理選擇。通過明確高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的內(nèi)容和可能出現(xiàn)的問題，我們可以更好做好高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

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