高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及心得

周　浩（上海東方建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司湖南分公司，湖南　長沙　410000）

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高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及心得

周浩（上海東方建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司湖南分公司，湖南長沙410000）

我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展加快了建筑市場的發(fā)展，由于高層建筑的功能十分強(qiáng)大，且外形較為美觀，獲得了廣泛的關(guān)注，但其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，高層建筑施工技術(shù)也較難，使得結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)備受關(guān)注，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式很多，且較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員在對高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須與工程實(shí)際情況統(tǒng)一，只有這樣才可以在最大程度上滿足使用需求并符合國家各項(xiàng)相關(guān)規(guī)定。本文從高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)出發(fā)，對其結(jié)構(gòu)的體系及其設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)問題進(jìn)行研究，希望可以為今后的設(shè)計(jì)工作提供幫助。

高層建筑；體系；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震；概念設(shè)計(jì)

引言

高層建筑的快速發(fā)展，可以有效降低市政在城市用地方面的投資，給城市建設(shè)緩解了不少的壓力，同時(shí)高層建筑也為建筑企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，由于高層建筑相對傳統(tǒng)低矮建筑的種種優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢，其已經(jīng)成為廣大人們?nèi)罕娮钍軞g迎的建筑。現(xiàn)筆者將多年的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及一些心得總結(jié)下來，供大家參考。

1　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

和多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的地位更加重要，所要考慮的問題也更加廣泛，不同的結(jié)構(gòu)體系，對建筑物平面布置、型體、高度、施工工藝、工期和成本等的要求均不一樣。現(xiàn)就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行分析如下：

1.1將水平力作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

對于多層建筑結(jié)構(gòu)，通常是將豎向載荷作為設(shè)計(jì)控制重點(diǎn)，一般只要滿足了豎向承載力方面的要求，整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性就基本有了保障。而對于高層建筑，雖然豎向載荷仍然對其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在重要的影響，但是隨著建筑高度的增加，水平力的作用所占的比重會急速增加，直至對整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起控制作用。因?yàn)榻ㄖ旧碇亓蜆敲婊詈奢d對豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件引起的彎矩和軸力數(shù)值，只和建筑物高度一次方值成正比，但水平載荷對于結(jié)構(gòu)造成的傾覆作用和對豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件引起的軸向力作用，卻與建筑物高度兩次方值成正比。筆者在大量設(shè)計(jì)實(shí)踐中，通過對計(jì)算結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)，對于高層建筑豎向構(gòu)件，往往在計(jì)算軸壓比結(jié)果相較于結(jié)構(gòu)規(guī)范尚有較大富余的情況下，結(jié)構(gòu)的水平位移控制參數(shù)才剛剛滿足規(guī)范要求，從這一點(diǎn)我們不難看出水平力的作用對整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響。

1.2將側(cè)移作為控制的主要指標(biāo)

和多層的建筑有所區(qū)別，結(jié)構(gòu)的側(cè)移是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一大控制指標(biāo)。隨建筑物高度增加，在水平力作用下的結(jié)構(gòu)側(cè)向變形快速增大。此外，隨著整個(gè)建筑體量的加大，對結(jié)構(gòu)材料的要求也會不斷提高，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中不但要求強(qiáng)度，還要求抗推剛度，要將在水平力作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)移量控制在一定限度內(nèi)。

1.3抗震設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)延性）要求更高

在地震作用下，高層建筑的安全性低于多層建筑，其變形會更加嚴(yán)重。這就需要在高層建筑設(shè)計(jì)過程中，需要確保承載力和剛度要自下而上的減小，確保其變化的均勻性。通過合理對樓體結(jié)構(gòu)中塑性集中變形進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保樓層建筑延能夠增強(qiáng)，從而更好的提升建筑物的變形能力。同時(shí)，還需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮建筑的結(jié)構(gòu)規(guī)則性對抗震性能的影響，避免出現(xiàn)嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置（如規(guī)范中規(guī)定的，周期比、位移比、剪重比等重要參數(shù)）。另外，在抗震設(shè)計(jì)中，尚應(yīng)考慮構(gòu)件的破壞次序，如：強(qiáng)減弱彎，墻柱弱梁等要求。

1.4盡量減輕高層建筑自重比

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，對于減少高層建筑的自重比要比多層建筑的自重比減輕具有更直接的影響。高層建筑如果自身的自重減輕了，可以大大減少地震作用效應(yīng)，這樣一來，不僅可以使水平作用更容易控制，同時(shí)還可以多爭取到更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1.5注意結(jié)構(gòu)軸向變形

對于框架結(jié)構(gòu)及框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高層建筑，結(jié)構(gòu)框架的中柱軸壓力通常比邊柱軸壓力大，中柱軸向變形比邊柱軸向變形大。若建筑很高，該種軸向壓縮變形差異更大，其產(chǎn)生的后果是連續(xù)梁的中支座發(fā)生沉陷，進(jìn)而使得連續(xù)梁的中支座處負(fù)彎矩降低，端支座負(fù)彎矩和跨中的正彎矩增大。

1.6概念設(shè)計(jì)和理論計(jì)算同等重要

建筑抗震的設(shè)計(jì)包括計(jì)算及概念設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。對于高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算，其要在規(guī)定的假想狀態(tài)下進(jìn)行，即使分析原則不斷完善，分析手段有所提高，但是因?yàn)榈卣鹆Φ牟淮_定性和復(fù)雜性，建筑地基土的復(fù)雜影響及結(jié)構(gòu)自身體系復(fù)雜性，致使理論上的分析和計(jì)算與實(shí)際相差較大，特別是在結(jié)構(gòu)受力進(jìn)入到彈塑性時(shí)期后，構(gòu)件會發(fā)生局部開裂乃至破壞的情況，這時(shí)的結(jié)構(gòu)很難再用常規(guī)計(jì)算原理和方法分析和計(jì)算，這就需要從概念以及構(gòu)造上予以解決這些問題。實(shí)踐證明，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)好的概念設(shè)計(jì)，是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵，同時(shí)也最能體現(xiàn)一個(gè)結(jié)構(gòu)師的功底。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)心得

2.1建筑的體型控制

高層建筑的體型控制包括豎向體型的控制和平面形狀的控制。對于高層建筑來說，豎向高寬比越大，建筑整體剛度越難控制，建筑物越容易發(fā)生整體傾覆，因此，在整個(gè)設(shè)計(jì)的方案階段，就應(yīng)該在高寬比上進(jìn)行嚴(yán)格的控制，不能超過規(guī)范允許值。同時(shí)，建筑豎向突出、收進(jìn)以及層高的變化不宜過快過多，因?yàn)檫@方面的變化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向剛度的變化，而結(jié)構(gòu)豎向剛度的突變是對抗震極為不利的（圖1～2）。建筑物的平面布局則直接影響到結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)規(guī)則性，不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，在地震力作用產(chǎn)生的作用效應(yīng)相較于規(guī)則結(jié)構(gòu)更加明顯，更容易破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量將結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置的均勻、對稱，還應(yīng)積極與建筑專業(yè)進(jìn)行溝通，調(diào)整一些對結(jié)構(gòu)不利的建筑布置，同時(shí)，在建筑使用功能允許的情況下，還可以設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，將整個(gè)結(jié)構(gòu)分隔成幾個(gè)獨(dú)立規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。

圖1　有利于抗震的建筑立面圖　

圖2　不利于抗震的建筑立面

2.2選擇合理的結(jié)構(gòu)體系

合理的結(jié)構(gòu)方案必須滿足高層建筑設(shè)計(jì)的安全要求和使用要求，并盡量經(jīng)濟(jì)合理，以最少的花費(fèi)獲得最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。受力明確、傳力簡單是結(jié)構(gòu)體系的基本要求，在相同的結(jié)構(gòu)單元中，應(yīng)該選擇相同的結(jié)構(gòu)體系。選擇合理的結(jié)構(gòu)方案的時(shí)候，需要分析場地條件、工程設(shè)計(jì)需求、施工條件、施工材料等等，在對這些指標(biāo)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇，以確定最佳的結(jié)構(gòu)方案。如：對于住宅建筑，我們一般選用剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻厚度取為與填充墻厚度一致，這樣就可以保證在房間里面不會有結(jié)構(gòu)構(gòu)件突出，方便使用，同時(shí)，剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度極大，對側(cè)移控制相對容易，能更好的實(shí)現(xiàn)住宅的高層化；而對于高層辦公建筑，考慮到使用上對建筑空間靈活性的要求，一般選用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系由框架柱和剪力墻共同承擔(dān)水平力作用，剪力墻的布置較之純剪力墻結(jié)構(gòu)要少，更容易實(shí)現(xiàn)建筑使用空間的擴(kuò)大化，從而為空間布局的靈活性創(chuàng)造了條件。

2.3注重結(jié)構(gòu)布置對設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性的影響

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)最根本的舉措，就是盡可能的發(fā)揮出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的全部承載力，盡可能的減少傳力的中間途徑。以筆者經(jīng)常接觸到的住宅剪力墻結(jié)構(gòu)體系為例，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能減少剪力墻的布置，以大開間剪力墻布置方案為目標(biāo)，同時(shí)單片剪力墻長度一般以剛好滿足一般剪力墻長度要求即可，因?yàn)閱纹袅?gòu)件截面積和剛度都比較大，只有盡可能的擴(kuò)大其受荷面積才有可能使其承載力充分的發(fā)揮出來，同時(shí)，豎向構(gòu)件的減少亦能夠大大減輕結(jié)構(gòu)自重，有效減小地震作用的輸入，對降低工程造價(jià)的作用非常明顯。對于水平結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)在充分發(fā)揮板的承載力的前提下布置梁結(jié)構(gòu)，盡量做到，傳力體系簡單直接。另外，還應(yīng)盡可能的將結(jié)構(gòu)布置得規(guī)則化，對稱化，這樣能有效減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減輕地震荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利效應(yīng)，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，減輕結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)。

2.4高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的兩個(gè)問題

建筑基礎(chǔ)是上部結(jié)構(gòu)賴以生存的關(guān)鍵，更是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重中之重，相較于多層結(jié)構(gòu)，高層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)除了能夠承載上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向力外，尚應(yīng)能夠承擔(dān)水平作用產(chǎn)生的傾覆和滑移作用，而解決這一問題的關(guān)鍵就在于基礎(chǔ)的埋置深度上，打個(gè)比方：一根筷子插在沙地上，如果插的淺，風(fēng)一吹就倒了，而如果插的夠深的話，風(fēng)就很難把它吹倒了。所以，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上，埋深是一項(xiàng)極重要的內(nèi)容，在一般情況下是必須要保證的。如確實(shí)有困難，也應(yīng)根據(jù)建筑高寬比對基底應(yīng)力情況進(jìn)行細(xì)致分析，在基底不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)或零應(yīng)力區(qū)范圍不超過規(guī)范限值并有其它可靠抗滑移措施的前提下才可以適當(dāng)減少；

另一個(gè)問題是地基土以及基坑回填土對基礎(chǔ)的約束作用的問題，這個(gè)在規(guī)范上也有強(qiáng)制性的規(guī)定，因?yàn)樵谟?jì)算中，當(dāng)我們把堪固端取在基礎(chǔ)頂面的時(shí)候，是要假設(shè)基礎(chǔ)頂面的位移為零的，如果達(dá)不到這個(gè)假設(shè)條件，上部計(jì)算結(jié)果就可能會存在問題，因此，在設(shè)計(jì)圖紙上，我們一定要特別提出基坑回填的要求，以滿足對基礎(chǔ)的約束要求。

3　結(jié)語

高層建筑在當(dāng)前城市發(fā)展過程中快速發(fā)展起來，有效的緩解了當(dāng)前城市土地緊張的問題。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)整體的剛度要求較普通建筑要高，由于層高所帶來的多種因素都要綜合考慮，是一個(gè)復(fù)雜且困難的問題，解決方案較多，通常應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)且最為安全可靠的結(jié)構(gòu)體系來抵抗相關(guān)的水平力作用引起的各種變形，在設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)要注意認(rèn)真按照設(shè)計(jì)原則和規(guī)范，才能建造出優(yōu)質(zhì)的高層建筑。

［1］沈榮飛.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)研究［D］.同濟(jì)大學(xué)，2007.

［2］徐培福，戴國瑩.超限高層建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)的研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2005，01：1～10.

［3］馮運(yùn)琴.高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)連梁設(shè)計(jì)中的問題［J］.科技資訊，2013，18：59～60.

［4］譚俊清.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究與軟件開發(fā)［D］.西安建筑科技大學(xué)，2001.

周 浩（1982-），男，工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TU973

A

2095-2066（2016）19-0190-02

2016-5-11