高層建筑結構設計及選型分析

文/陳曉平、盧嘉 重慶建筑工程職業學院 重慶 400030

高層建筑結構設計及選型分析

文/陳曉平、盧嘉 重慶建筑工程職業學院 重慶 400030

隨著社會經濟的發展，高層建筑在城市發展中占據的比例越來越高；高層建筑中，結構設計與選型是重要的構成方式，通過結構設計與選型能夠將高層建筑的外形特征表現出來，同時也保證了建筑的各項功能的實現。本文在分析高層建筑結構設計要點及相關體系的基礎上，進一步對其設計分析方法進行了解析，希望以此為高層建筑結構設計的優化及完善提供一些具有價值的參考建議。

高層建筑；結構設計；選型分析

1、引言

高層建筑具有更高的社會經濟效益，高層建筑也是生產力和消費水平不斷提升的必然趨勢。隨著我國城市化進程不斷推進，城市人口持續增加，土地資源日益緊缺，急需發展高層建筑來解決這些問題。高層建筑有利于緩解我國城市土地資源緊缺問題，減少市政建設投資、縮短建筑工期，而且高層建筑的功能更加豐富，符合人們對建筑功能的需求。但是高層建筑質量及其功能發揮依賴于建筑結構設計，只有合理設計高層建筑結構造型才能充分其發揮起功能。文章對高層建筑結構設計及選型進行分析。

2、高層建筑結構類型

高層建筑結構主要分為三種類型：①剪力墻結構。剪力墻結構是指建筑內外墻采用剪力墻設計方式，利用剪力墻承擔建筑負荷。②筒體結構。筒體結構分為框架-核心筒和筒中筒兩種類型，前者的受力特點為框架、筒體分別承受豎向和水平荷載，變性特點與框剪墻存在一定相似之處，但是其抗側剛度性能更好。筒體結構計算方法三維空間法，計算結果的精度更高。③框架-剪力墻結構。該結構由多個框架和剪力墻共組成，該結構類型優點在于位移和內力設計防范方式較多，但是連梁連續化假定方法計算位移協調條件時，應該按照框架水平位移和剪力墻轉角設計，建立外荷載與位移關系的微分方程。但是需求和因素未知量之間存在差異，微分方程存在不同解。

3、高層建筑結構設計分析

3.1 結構設計中水平荷載控制分析

高層建筑相對于底層建筑而言,其整體結構對水平載荷具有較大的承載量,因此,高層建筑整體穩定性直接受高層建筑結構設計中水平荷載水平控制的影響。建筑承受的傾覆力矩、建筑的偏心軸向力等都與高層建筑的水平荷載具有直接的關系,其關系為二次方倍數關系。因此,高層建筑結構設計中,對水平荷載需要進行嚴格的控制,從而使得由于過大的水平荷載造成的連鎖性穩定性問題得到有效控制。

3.2 合理確定抗側剛度

高層結構設計時，較之于低層建筑有所差異，而且會給結構側移造成較大的影響。受樓層高度變化的影響，隨著水平荷載測量變形的影響，結構側移也會越來越大。因此，進行高層建筑結構設計時，要求結構強度要達到一定程度，還要能承受荷載作用帶來的內力影響，與此同時，要求抗側剛度也須具備，保證結構在水平荷載作用下對側移的情況進行控制。

3.3 確定測控

與低層建筑相比，高層建筑結構更容易出現結構側移問題，并成為高層建筑結構的重要因素。隨著樓層增加，水平荷載側變形也越來越大。高層建筑結構不僅需要具備一定強度，還需具備承受荷載作用產生的內力作用和抗側剛度，以防建筑結構在水平荷載作用下發生側移。

4、高層建筑結構選型的方法

4.1 定量方法

高層建筑結構選型還可以采用定量的方法,即在結構設計中設置好結構體系比較和選擇的范圍,先舍棄結構選型中的一些次要的影響因素,進行定量選擇在運用定量方法進行結構選型時,忽略掉不容易將影響因素轉換成數學計量單位進行評估比較的成分,把可以轉換成數學計量單位的成分因素留下,再將這些成分進行計算比較。例如,在高層建筑結構選型時,計算工程建設的工程概況中相關的數據、將結構造價與整個建筑的成本價格進行比較、結構施工工期與整體成本的比較。在這些比較中,包括了利息、租金等計算。依據定量的方法進行結構選型,實際上也具有一定的局限性,在定量計算時僅僅只是以整體成本為目標,而且定量計算中的數據是無法分析的。此外,定量計算在數據的選擇上會受到人為的主觀的影響,最后結構選型的方案也會受到影響。

4.2 結構布置

通過對建筑的使用功能進行考慮，選擇框架一核心筒結構，剪力墻與框架抗震等級均為一級。對結構平面進行布置時，要考慮到結構對水平和豎向荷載的抵抗能力，在核心筒位置布置剪力墻，受力明確、傳力直接，墻體對稱布置，考慮扭轉因素的影響，在對建筑使用功能不受影響的基礎上，將抗側力剪力墻布置在建筑平面四角位置，降低扭轉帶來的影響。建筑平面布置規則相對比較簡單，只需考慮剛度對稱，減少地震作用影響，在核心筒內部設置電梯井筒，框架布置根據建筑平面進行即可。布置結構構件時，盡量保證梁與柱的重心重合，從而可以有效地保證作用力直接傳導，如果梁和柱的重心無法重合時，就需要在計算時，對梁和柱的重心在核心區出現受力偏心對結構帶來的一些不利影響，如果偏心距較大，一般大于柱寬的1/4時，可采用增加梁的水平加腋措施來解決，從而可有效降低由于偏心過大而帶來的不利影響。

4.3 迷糊推理法

在進行高層建筑結構選型時,相關的建筑結構設計人員可以在運用信息技術的基礎上進行模糊推理,建立一個完整的綜合評判的數學模型。在模糊推理的過程中,可以將影響結構選型的某些定性、定量的因素綜合起來,再根據所有相關的數據和信息進行分析。由于在推理的過程中依據的是大量的真實數據,因此在進行結構選型時具有一定的準確性。「3」但是,運用模糊推理的方法也有其自身的缺陷,就是在推理時考慮到的數據和因素具有極大不確定性和模糊性,在所有的因素影響下,高層建筑的結構選型需要進行多目標決策。這個方法最大的優勢在于,結構選型能夠做到較為客觀與科學。

結語：

高層建筑結構設計融合結構分析、數學優化與計算機技術等,作為綜合性技術工作其實用性非常強。隨著高層建筑的不斷發展,結構體系越來越復雜,建筑平面功能越來越高,因此,在高層建筑的結構設計與選型方面的要求也不斷提高。基于高層建筑穩定與安全的基礎上,對高層建筑的結構進行科學設計與合理選型,從而不斷推動高層建筑設計技術的發展。

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