對高層建筑結(jié)構(gòu)設計的探討

袁保國

摘 要：近些年來，我國的高層建筑建設發(fā)展迅速。高層建筑其高難度，高技術(shù)，高風險都需要大量技術(shù)工作人員去解決，高層建筑結(jié)構(gòu)設計是一個復雜、長期、循環(huán)往復的過程，結(jié)構(gòu)設計工程師在設計的過程不僅要嚴格執(zhí)行新規(guī)范中相應的構(gòu)造要求，還要結(jié)合實際情況，進行結(jié)構(gòu)分析并且制定多種方案進行比較分析，只有這樣才能從根本上消除設計質(zhì)量的隱患。

關(guān)鍵詞：高層住宅建筑；結(jié)構(gòu)設計；探討

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。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點

主要特點有：

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。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化。

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)。

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。

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。

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。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設計的要點

1、結(jié)構(gòu)的超高問題

抗震規(guī)范中對建筑結(jié)構(gòu)的總高度進行了嚴格限制，新規(guī)范中增設了B級高度，這與原來設定的A級高度在處理辦法方面有很大的改變。所以在工程實踐中，就要充分考慮建筑的超高問題及處理措施，在結(jié)構(gòu)設計過程中要充分根據(jù)工程的實際進行抗震設計，防止建筑物結(jié)構(gòu)過高導致的不安全因素。一旦在工程實際過程中忽視建筑物的超高問題，在工程后續(xù)施工過程中就會出現(xiàn)一系列的問題，這就會對工程工期和效益造成嚴重的損害。

2、短肢剪力墻設置問題

短肢剪力墻在規(guī)范中是這樣定義的：墻肢截面高厚比為5-8的墻。實踐表明，短肢剪力墻在高層建筑中的運用有更多的因素加以限制。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)設計過程中，就應當根據(jù)情況盡可能少的使用就要盡量避短肢剪力墻，從而減少由于短肢剪力墻的使用造成了不必要的麻煩，所以，在高層建筑的設計過程中，要特別注重工程的細節(jié)問題，從而提高工程建設的進度。

3、嵌固端的設置問題

高層建筑通常都有地下室和人防，由此嵌固端的設置位置可能在地下室頂板，也有可能在人防的頂板。在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設計的過程中，結(jié)構(gòu)設計人員要特別注意嵌固端的設置問題，防止由于嵌固端設置所造成的問題。比如說嵌固端上下抗震等級的一致性問題和抗震縫設計與嵌固端位置的協(xié)調(diào)問題等等，由此可能造成結(jié)構(gòu)設計的不合理，導致安全隱患的產(chǎn)生。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)類型

1、框架結(jié)構(gòu)體系

整個結(jié)構(gòu)的縱向和橫向全部由框架構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)成為框架結(jié)構(gòu)。框架既負擔重力荷載又負擔水平荷載。框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是建筑平面布置靈活，可提供較大的內(nèi)部空間。但由于結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)體系，在水平荷載作用下，強度低，剛度小，水平位移大，在高烈度地震區(qū)不宜采用。目前，主要適用于10～12層左右的商場，辦公建筑。如果過高，就要靠加大梁，柱截面來抵抗水平荷載，從而導致結(jié)構(gòu)的不經(jīng)濟，因此在高層建筑的使用時應該重點考慮。

采用框架結(jié)構(gòu)的高層建筑，框架底層往往出現(xiàn)塑性變形集中現(xiàn)象。這是因為建筑地面以下基礎部分的抗推剛度很大，相對而言，建筑底層的抗推剛度就很小，形成剛度突變。在遭遇地震時，建筑容易因框架底層的塑性變形集中而導致破壞。如果在框架的地上一二層采用型鋼混凝土，可以減小該處的剛度突變。

2、剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)中豎向承重結(jié)構(gòu)全部由一系列橫向和縱向的鋼筋混凝土剪力墻組成，剪力墻不僅承受重力荷載作用，而且還要承受風，地震等水平荷載的作用。同框架結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)測向剛度大，側(cè)移小，屬于剛性結(jié)構(gòu)體系。從理論上講，它可建造上百層的民用建筑（如朝鮮平壤的柳京大廈）；但從技術(shù)經(jīng)濟的角度來講，地震區(qū)的剪力墻一般控制在35層，總高110米為宜。由于剪力墻的間距比較小，一般為3～6米，所以建筑平面布置不夠靈活，使用受限制。

3、筒體結(jié)構(gòu)體系

凡采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡體體系，包括單簡體、簡體一框架、簡中簡、多束簡等多種型式。簡體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹簡和空腹簡兩種類型。實腹簡是由平面或曲面墻圍成的二維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹簡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。簡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。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風、抗震、消防設計

1、抗風結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

在基礎設計上，要使用配比較高的砂石來保證地基的密實度，同時還要設置抗拔錨桿，以此來提高建筑基礎的抗拔強度。在減振系統(tǒng)設計上，要多利用耗能支撐、剪力墻、樓板等組成的耗能減振系統(tǒng)來減少風荷載對高層建筑的影響。對于風荷載與水平力的問題，要對高風壓區(qū)進行加固。這主要是從水平壓力、水平荷載內(nèi)力等方面進行綜合考慮，來為高層建筑進行加固設計。

2、抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

①提高結(jié)構(gòu)設計的整體規(guī)則性，以此確保承載力體系分布的合理性。②改善地基的抗震設計，即在簡化建筑平面、提高地基的強度與高度的同時，將上部結(jié)構(gòu)的重點和群樁設置在同一直線之上。③在剪力墻的設計方面，要提高高層建筑承重結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力，以此來滿足承載力的耗能與延續(xù)性，這樣可以有效地提高高層建筑的抗震能力。

3、消防結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

①防火間距上的設計，在設計時要全面的考慮間距在火災中的隔斷、滅火功能，同時在設計時還要考慮到建筑結(jié)構(gòu)的耐火性問題以及排煙的問題。②對安全疏散結(jié)構(gòu)進行合理的設計，這主要是為了解決火災中的疏散困難，在設計上：a.注意防煙區(qū)的設置；b.注意雙向疏散方面的設計，如合理安排避難層等。

五、結(jié)束語

隨著高層建筑進一步的發(fā)展，高層結(jié)構(gòu)的設計越發(fā)重要起來，結(jié)構(gòu)設計是一項集結(jié)構(gòu)分析，數(shù)學優(yōu)化方法以及計算機技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)工作，是一項對國家建設有重大意義的工作，同時，亦是一門實用性很強的工作。為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力，追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學模型將是土木工程師們的目標和方向。