探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中常見問題

李素倩

（身份證號：1301231987****6023）

現(xiàn)代高層建筑的設(shè)計是漫長、復(fù)雜甚至循環(huán)的過程。在工作中，要充分把握各種數(shù)據(jù)，結(jié)合人們的數(shù)據(jù)，達(dá)到人們的安全、舒適、美觀的要求。如何使舒適、安全、符合人們的精神物質(zhì)需求和經(jīng)濟實用的住宅設(shè)計適應(yīng)住宅市場的變化，滿足住宅消費的需要，已成為頂級建筑設(shè)計師必須解決的首要問題。這要求結(jié)構(gòu)設(shè)計師自己在嚴(yán)格的要求下工作，不斷學(xué)習(xí)新的規(guī)范，努力掌握更合理的設(shè)計方法。

一、正確認(rèn)識高層建筑的受力問題

合乎情理的結(jié)構(gòu)型高建的選擇本質(zhì)上是一種垂直懸臂結(jié)構(gòu)。垂直荷載主要導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的軸力與建筑物高度呈線性關(guān)系。水平荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。從受力特性的角度看，豎向荷載方向是相同的，只隨著建筑物的增大而增大。水平荷載可以來自四面八方。當(dāng)荷載均勻分布的時候，彎矩和建筑物垂直高度發(fā)生二次變化。根據(jù)橫向位移的特點，垂直荷載造成的橫向位移非常小，當(dāng)水平荷載為均勻荷載時，橫向位移和高度變化為四個功率側(cè)。可見，水平荷載對上部結(jié)構(gòu)的影響遠(yuǎn)高于垂直荷載。水平荷載的控制因素是是結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)的水平荷載所產(chǎn)生的彎矩、剪力、拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力應(yīng)在較大的強度之外。

二、軸向變形問題

任何結(jié)構(gòu)在外力作用下的軸向拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲位移都屬于是軸向變形。在下層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，一般情況下只考慮彎曲變形，忽略鈾對剪切變形的作用，因為一般結(jié)構(gòu)構(gòu)件的軸力和剪力影響較小，不考慮。由于層數(shù)多、軸力大，且沿高度堆積的軸向變形明顯，軸向變形對高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的作用和影響是比較大的。除此之外，高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻常常具有較大的橫截面。因此，剪切變形的作用和影響是不容忽視的。

三、嵌固端的設(shè)置問題

高建筑結(jié)構(gòu)固定邊的確定對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果有很大影響。相對準(zhǔn)確的計算結(jié)果可以通過結(jié)構(gòu)計算程序獲得，無論結(jié)構(gòu)的固定部分是什么。但我們希望計算結(jié)果能更現(xiàn)實地反映結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實，使系統(tǒng)安全和合理。正確選擇結(jié)構(gòu)的固定部分是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算之前，建筑物的上層必須根據(jù)建筑物內(nèi)部部分的位置來確定。結(jié)構(gòu)錨定的條件通常是這樣的：在設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)變化層經(jīng)常被放置在大型框架的頂部。在計算結(jié)構(gòu)頂部結(jié)構(gòu)的錨定結(jié)構(gòu)時，地下室結(jié)構(gòu)的地板橫向剛度不得小于結(jié)構(gòu)頂部剛度的兩倍地下室屋頂和臥室地板之間的區(qū)別不能太大。在極端情況下，如地下室，除非高度差為13級，否則一樓通常不能構(gòu)成結(jié)構(gòu)錨。地下室的屋頂結(jié)構(gòu)應(yīng)該是梁系統(tǒng)。地板的厚度不得小于180毫米。混凝土的強度不得低于c30。兩個方向的備份不得小于0.25%。地下的土地必須有足夠的保護，不受側(cè)壁的影響。上述地下室屋頂不能用作結(jié)構(gòu)錨點的原因通常是不能滿足這一條件。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震問題

地震是難以預(yù)測和精確計算的。地震使建筑物承受的力量因地震的大小、地基的強度和建筑物的固有周期而有所不同。地震的震級被評估為靜力水平。通常，隨著建筑物高度的增加，建筑物的水平力比例會降低。對于一個方向的地震作用，同一方向的地震單元的電阻將與其剛度成正比。

（一）地震對建筑物的影響

來自震源的地震波在靠近地表的地基較弱時會增加，并且伴隨著高層建筑的增加和原有的周期拉長，震動力變小，建筑物的地板越高，震動的力量（加速度）趨于增大。綜上所有的這些原因，確定了對建筑物施加的地震影響，評估結(jié)果為對建筑物每一層施加的水平力。

（二）地震因素配置

毫無疑問，建筑物能抵御各個方向的地震。如果整個建筑被看作是考慮力的傳遞的二維框架的集合，這是很容易理解的。與地震作用的水平方向平行，框架承受水平力，每一層的柱和地震壁根據(jù)剛度比承擔(dān)地震作用。

（三）結(jié)構(gòu)的變形電阻

當(dāng)水平力施加于結(jié)構(gòu)時，如果超過支撐的彈性極限，變形會迅速增加，達(dá)到最大強度。在設(shè)計時，高頻地震通常停留在支撐力的彈性極限以下，在發(fā)生大地震時不超過其最大強度。

（四）部件的強度和韌性之間的關(guān)系

強烈的地震因素不需要韌性。墻體和斜面的韌性較小，框架結(jié)構(gòu)的韌性較大。

（五）地震因素的平衡

建筑平面上的地震因素平衡差，在遭受地震時，容易產(chǎn)生伴隨扭轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的變形，薄弱部分會產(chǎn)生較大的變形，使這部分的破壞增加。由于地震作用是慣性力，力的作用中心必須與重心一致。平面上所謂的平衡，即地震作用的中心，即重心和抗震因子（稱為剛心）的剛度必須一致。即使平面上的剛度（框架的剛度）相同，當(dāng)它后退時，下層的重心會偏離中心而造成不穩(wěn)定。此外，結(jié)構(gòu)偏心的抗震墻、鋼骨框架等剛度較大的建筑物容易出現(xiàn)不穩(wěn)定。

6.平衡地震因素剖面圖

當(dāng)抗震因子的剛度上下方向不均勻，且硬地板和軟地板混合在一起時，地震效應(yīng)會集中在軟地板上，使地面部分的受力和變形增加，破壞增加。特別是一些墻壁比二樓多，且一樓沒有墻壁的建筑物，稱為懸掛式建筑。他們中的許多人在地震中會倒塌在一樓。建筑物由幾種類型的結(jié)構(gòu)組成，理想的做法是平衡各種結(jié)構(gòu)的上下方向，平衡每一層框架的剛度。

五、結(jié)束語

最近幾年，高層建筑非常迅猛的飛速發(fā)展，建筑外型設(shè)計新穎獨特，建筑高度和規(guī)模不斷提高。隨著高層建筑的不斷進(jìn)步和發(fā)展，高層建筑的形態(tài)、材料和力學(xué)分析模型將越來越復(fù)雜和多樣化。實踐表明，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工過程時，只有理念明確，措施得當(dāng)，設(shè)計技術(shù)人員才能不斷進(jìn)步完善和提并高發(fā)展高層建筑。