高層建筑結構設計及某工程結構選型探討

陳維

摘要：我國經濟的快速發展伴隨著綜合國力的加速提升，與此同時，也加快了我國房地產向前邁進的步伐，建筑行業的興起促進我國支柱產業的不斷壯大?；诖?，本文主要針對高層建筑結構設計及某工程的結構選型進行了探討。

關鍵詞：高等建筑;結構設計;結構選型

前言

社會的高速發展推動了人們生活水平不斷改善，也決定了人們對建筑方需求不僅僅停留在單純生存住房需求，對建筑結構設計方面的要求也日漸高漲。建筑結構在初期設計優化方面需要考慮多層次要求。很多建筑公司在進行高層建筑的時候比較注重實際的結構計算和設計，對初期的概念設計反而缺乏關注，我們必須避免這種頭重腳輕的行為。對高層建筑結構如何選型是眾多工程師首先要面臨的問題，一般來說，我們在根據一定規律的基礎上結合建筑的安全性、適用性、經濟效益以及對充分考慮施工安全可能造成的影響選擇合適的結構選型。因此，對高層建筑的結構體系進行合理的選型是高層建筑結構設計中的首要任務。

1.高層建筑結構的特點及設計

1.1 高層建筑結構的特點

高層建筑對結構的要求比較嚴謹，它需要承受來自風產生的水平荷載、垂直荷載以及抗震能力。高層建筑在結構上對水平荷載和地震作用的要求都要高于低層建筑。位移也會隨著建筑高度的增加而加快大，這對居民的使用勢必造成一定影響，給人不安全感。為此，建筑在設計抗側力的同時要考慮到位移的結構，兩者必須控制在規定范圍之內。

1.2高層建筑結構設計

（1）框架—剪力墻體系。高層建筑結構設計中對框架—剪力墻結構內力和位移的計算方法主要以連梁連續化假定為主。位移的協調條件的計算需要建立在對剪力墻與框架水平位移或者轉角相等的基礎上，通過位移建立和外荷載之間的微分方程來進行求解。由于計算過程有太多不確定的未知量加上考慮的因素比較多，不同的解答對應的結果也各不相同。（2）剪力墻體系。剪力墻的受力和變形特征和狀態是由剪力墻的開洞情況來決定。單肢墻和特殊開洞墻都屬于單片剪力墻，根據受力特性的不同進行區分。內力與位移計算時需要根據不同類型的剪力墻的截面應力分布采取不同的計算方法。平面有限單元法計算結果比較準確，是剪力墻的結構計算中常用的方法。然而缺點在于，這種計算方法自由度較多，各方面花費較高。在實際應用中人們更愿意選擇特殊開墻。（3）筒體結構。筒體結構的分析方法按照以分為以下三大類：等效連續化、離散化方法和三維空間分析。綜上所述，三維空間方法是目前的工程上采用最多的計算機模型，和其他方式相比它更具有優越性和精確性。

2.某工程結構選型分析

2.1 工程概況

將某寫字樓設計為高層建筑是某工程項目的主要功能。業主希望寫字樓空間大、結構安全、價格經濟合理，而城市規劃主管部門提出了一定的條件和要求，經過多次跟業主協商，最后敲定為28層綜合電梯樓，項目總占地面積約25000m2，主入口利用地形高差設置在主干道中興路，整個結構沒有設置地下室，建筑平面主要以規則對稱的井字型，下部吊2層，其他樓層層高控制在3.3m，建筑高度和結構高度分別在93.8m和92.4m。為了滿足辦公建筑的所有建筑功能要求，在結構體系的選擇上面則需要對框一筒結構體系和剪力墻結構體系這兩種體系進行比較分析，通過對建筑高度、抗震、高度以及經濟性上面的綜合比較進行合理選擇。

2.2 計算參數的設定

此次工程抗震設防烈度和設防類別分別為6度和丙類，地震分組和基本加速度設計分別為第一組合0.05g。本工程的建筑場地為I類場地，屬于A級高度建筑，在抗震構造措施方面要求按照本地區的抗震設防烈度，其中剪力墻和框架柱結構的抗震等級都為三級。另外在水平地震影響系數和場地特征周期具有一定的要求，他們必須分別在最大值αmax= 0.04和周期Tg=0.25s，并保持β=2.25的放大系數和0.40kN/m2基本風壓，地面的粗糙度控制在D類，工程樓面活荷載標準值由荷載規范進行取值，其他要求均按照 《建筑結構荷載規范》GB50009-2001的規定，包括風壓體形系數、風壓高度變化系數及風振系數進行有效控制。

2.3 計算結果分析

2.3.1 結構體系對建筑使用功能的影響

電梯、樓梯間及設備管線井道四周布置的鋼筋混凝土墻是整個項目框一筒結構體系的核心筒重要部分。一般來說，核心筒平面尺寸的大小影響著整個結構的受力和抗側剛度。服務性用房面積會隨著核心筒的增大而增大，相反從建筑使用角度來看建筑的使用面積卻在減小。另外，建筑的使用也會受到高層結構的框架架柱截面的大小的影響，框架柱截面越大意味著使用的空間越大，為了滿足辦公建筑多方面的需求，需要對建筑平面和造型進行靈活布置。為了不影響各個房間的功能使用，在剪力墻結構體系中需要對隔墻的位置固定到位。房間內減少了柱、梁等其他非標構建，在裝修方面不僅有利于美觀，也方便其他室內家具的擺放?？蛞煌步Y構體系在適應建筑功能方面比剪力墻結構體系更能滿足更多現代化辦公建筑的需求。

2.3.2 結構體系對結構受力合理性的影響

由于地震以及風荷載作用下框一筒結構體的最大層間位移都會出現在第16層，層間位移偏差不大。另外受到水平荷載的影響，框架一核心筒結構會出現側向彎曲或者剪力變形，其中側移曲線和彎曲型桿件的側移曲線相接近。各樓層蓋水平剛度受到約束后，框架一核心筒體系中的框架側移和核心筒現象一致，在一定程度上改善了構件上下層間側移角嚴重不均勻的情況，與單一結構體系的純框架、純剪力墻結構整個結構相比，他們的等強設計和滿足變形要求具有一定的優越性。剛度較大對剪力墻結構體系的側移影響比較小。在房屋層數比較少的工程中采用純剪力墻結構，當墻體的高寬比值在1以下，在水平荷載的影響，墻體側移曲線容易出現剪切變形，然而一般不會出現明顯的彎曲變形。而相反情況下，房屋層數一旦增加，墻體的高寬比值在4以上，墻體受到水平荷載的影響側移曲線大多數出現彎曲變形側移，剪力變形逐漸減少，另外，當墻體的高寬比值介于以上兩種數字之間，此時墻體出現剪切變行和彎曲變形的概率等同，側移曲線則多為剪彎型。由此可知，為了保證兩種結構形式在保持良好剛度的基礎上，在地震和風荷載的作用下不會出現明顯的位移，需要對整個建筑進行合理的設計。

2.3.3 結構體系對結構經濟性的影響

高層建筑的投資過于龐大，為了控制成本;為了建筑早一點交付使用，更早的取得經營收入;為了縮短資金的使用周期，將資金的時間價值控制最低;通常都需要盡量縮短結構的施工周期。通常選擇的結構方案前期投入可能更多，但如果能縮短施工周期的話，那就一定是最經濟的方案。從數據分析得出兩種法案大體差不多，無論是內力、位移還是周期，但是剪力墻結構體系對于框一筒結構體系混凝土用量高，在單方造價上有很強的競爭力。

3.結束語

目前國內外的專家和學者都非常重視高層建筑結構設計以及選型，但只是基于理論上的研究，具體還沒有通過實際應用。高層建筑行業在結構選型的時候有著以下特點：復雜、很強的綜合性、大量的不確定性。為了更方便高層建筑結構選型，通常會研究并建立充分的智能型優化方案，如專家系統智能高層選層方法以及知識發現智能選型方法。

參考文獻：

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