關(guān)于高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的綜合分析

王維凱

摘 要：針對目前城市中越來越多的高層建筑，在簡述其結(jié)構(gòu)設(shè)計基本步驟的基礎(chǔ)上，對高層建筑抗震設(shè)計及設(shè)計中需要注意的關(guān)鍵問題進行綜合分析，旨在為實際的設(shè)計工作提供可靠依據(jù)，保證設(shè)計的合理性與可行性。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計

如今，城市中的高層建筑數(shù)量越來越多，人們對高層建筑的安全重視度隨之提升，這無疑對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高要求。設(shè)計是否合理在很大程度上決定了施工能否順利完成，并影響工程的質(zhì)量、安全和成本，因此需要對其進行綜合分析與探討。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本步驟分析

1.1 基礎(chǔ)設(shè)計

對高層建筑基礎(chǔ)做綜合設(shè)計時，應充分考慮建筑所在地區(qū)地形和地質(zhì)條件，此外還應結(jié)合荷載實際分布情況、上部結(jié)構(gòu)主要類型、附近既有建筑造成的影響及現(xiàn)有的施工條件，以此確定技術(shù)可行且經(jīng)濟合理的方案。實際的設(shè)計工作中，應對地基潛力進行充分挖掘，在必要的情況下通過計算確定地基的變形。當進入基礎(chǔ)設(shè)計階段時，說明區(qū)域場地地質(zhì)勘察資料已經(jīng)形成，若沒有相應的地質(zhì)報告，需進入現(xiàn)場進行查看，當然周圍既有建筑在基礎(chǔ)設(shè)計過程中形成的資料可作為本工程的參考[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

最終采用的結(jié)構(gòu)方案應是最合理且最經(jīng)濟的。對結(jié)構(gòu)體系進行設(shè)計時，除了要明確結(jié)構(gòu)的受力，還要盡可能為傳力提供方便，在同一結(jié)構(gòu)單元當中盡量避免使用不同體系。基于此，在設(shè)計中要對設(shè)計基本要求、實際施工狀況和原材料實際供應進行綜合考慮，并做好和其它專業(yè)的聯(lián)系與溝通，進而為結(jié)構(gòu)類型的選擇奠定良好基礎(chǔ)，形成最佳設(shè)計方案。

1.3 計算簡圖

對結(jié)構(gòu)進行的所有計算都需要將計算簡圖作為核心，如果設(shè)計過程中所用計算簡圖缺乏合理性，將產(chǎn)生安全問題。對此，計算簡圖必須具有良好合理性與適用性，這是從根本上保證安全，避免安全問題發(fā)生的關(guān)鍵。考慮到結(jié)構(gòu)節(jié)點并非單純剛結(jié)，故計算簡圖應得到構(gòu)造措施的保證，但要注意將誤差限制在允許的范圍之內(nèi)[2]。

1.4 分析計算

就目前而言，計算機技術(shù)已經(jīng)廣泛用于結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，但設(shè)計軟件的類型有很多，不同類型的軟件采用不同的算法，可能得出的結(jié)果完全不同。在這種情況下，對設(shè)計人員而言，若在計算中發(fā)現(xiàn)所用程序與結(jié)構(gòu)具體情況不相符，或在參數(shù)輸入過程中有人為錯誤，則需要立即查明原因并予以糾正，從而保證結(jié)果真實性與準確性，為后續(xù)設(shè)計與判斷提供可靠參考依據(jù)。

1.5 構(gòu)造方法

設(shè)計中應對構(gòu)件延性引起高度重視，并關(guān)注所有薄弱環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)鋼筋錨固端長度需要引起設(shè)計人員的重視，特別是直線段長度，同時溫度應力也會對其造成一定程度的影響，同樣需要得到重視。另外，對平面與立面進行布置時，應保持規(guī)范、對稱及均勻，盡可能減少薄弱環(huán)節(jié)，在必要的情況下還應在極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)進行驗算[3]。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

2.1 地震作用分析

從震源處傳遞出的地震波，如果地基比較軟弱，將會得到明顯的增強，同時當建筑的高度較高時，固有周期將明顯變長，而且搖動力也會減小，但靠近頂層的樓層，其加速度具有明顯變大的趨勢。在這種情況下，可確定建筑所受地震作用，可采用不同樓層在水平方向上的力進行綜合評估。

2.2 抗震因素配置

建筑所受地震作用具體方向并不是固定的，若將建筑看做一個二維框架，則能更好的掌握力的實際傳遞過程。和地震作用方向保持平行的建筑框架，主要承擔水平方向上的力;而每個樓層上的墻柱則根據(jù)其剛度比例來承受豎直方向上的力。

2.3 地震變形抵抗

為結(jié)構(gòu)體系施加一定水平方向上的力以后，如果這一作用力大于結(jié)構(gòu)彈性極限，則將產(chǎn)生很大的變形。這就要求在設(shè)計過程中盡量確保地震作用處于彈性極限范圍內(nèi)，即便在大震條件也不超過它的最大強度，從而實現(xiàn)大震不倒的目標[4]。

2.4 建筑平面剛性平衡

如果建筑平面上的抗震因素分布不平衡，將在受到地震作用后產(chǎn)生一定扭力回轉(zhuǎn)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，此時對于剛度較差的部分將產(chǎn)生極大變形，甚至導致破壞。因地震作用是典型的慣性力，所以其作用中心需要和重心保持一致。在建筑平面上保持平衡就是指使抗震因素剛度中心和重心完全一致。對于平面剛性保持一致的高層建筑，若發(fā)生一定向后的退縮，將因為樓層重心不再重合而有發(fā)生失穩(wěn)的危險[5]。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項

3.1 對結(jié)構(gòu)受力特點予以正確認識

對高層建筑而言，它類似于豎向分布的懸臂結(jié)構(gòu)，當受到垂直方向上的荷載后，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定軸向力，它和建筑的高度一般保持線性關(guān)系;而水平方向上的荷載會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定彎矩。在結(jié)構(gòu)受力特性方面，對于垂直方向上的荷載，其方向保持不變，在建筑的不同高度上荷載不同;而對于水平方向上的荷載，可能從不同的方向產(chǎn)生，如果均布荷載，則彎矩將和高度為線性關(guān)系。在結(jié)構(gòu)的側(cè)移特性方面，一般情況下豎向荷載不會產(chǎn)生太大的側(cè)移，但水平荷載會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯側(cè)移，如果為均布荷載，則側(cè)移將和建筑的高度為線性關(guān)系。可見，水平荷載造成的影響比垂直荷載大很多，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要將水平荷載作為主要控制因素，對結(jié)構(gòu)而言，它為了抵抗這一荷載而產(chǎn)生的應力、彎矩及剪力，不僅要有足夠強度，而且還應滿足剛度要求，以此將因高度增加而引起的變形有效控制在允許的范圍之內(nèi)[6]。

3.2 選擇正確合理的建筑結(jié)構(gòu)體系

因高層建筑結(jié)構(gòu)中抗水平方向上的力是結(jié)構(gòu)設(shè)計主要矛盾所在，所以應采用合理的抗側(cè)力措施來保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與安全。目前常用的幾種結(jié)構(gòu)體系，如框架、框剪和純剪等，它們的受力特征與抵抗水平方向上作用力的能力均有所不同，尤其是在抗震性能上往往有著明顯的差異，所以要在設(shè)計中進行合理的選擇。

3.3 保證結(jié)構(gòu)體系抗震性能

考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)受力和其它建筑有很大不同，所以當在地震區(qū)對高層建筑實施結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應在滿足基本剛度與強度要求的基礎(chǔ)上，保證抗震性能。經(jīng)科學與系統(tǒng)的抗震設(shè)計，可以使高層建筑實現(xiàn)大震不倒、中震可修與小震不壞的目標。從結(jié)構(gòu)的角度講，應有足夠塑性變形能力，以此吸收地震發(fā)生后產(chǎn)生的巨大能量，從而削弱地震造成的破壞。

3.4 扭轉(zhuǎn)問題

針對高層建筑的扭轉(zhuǎn)問題，首先需要提到建筑的三心，建筑三心是指幾何的形心、剛度的中心與結(jié)構(gòu)的重心，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應使三心重合。扭轉(zhuǎn)問題實際上就是因為三心沒有重合引起的，此時結(jié)構(gòu)受到水平方向上的荷載將產(chǎn)生一定扭轉(zhuǎn)效應。為了防止建筑由于扭轉(zhuǎn)而被破壞，需要在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中確定適宜的結(jié)構(gòu)形式，做好平面布局，保證三心重合。結(jié)構(gòu)受到水平方向的荷載后，扭轉(zhuǎn)大小將受到質(zhì)量分布的影響及控制。為了確保水平方向上的作用盡可能均勻分布，避免或減小扭轉(zhuǎn)，在選擇建筑平面時，應盡量以簡單平面形式為主。然而，實際情況中很難滿足以上要求，采用一些較為復雜的平面，如T字形與十字形等，在這種情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要將凸出處厚度和寬度之比限制在允許范圍以內(nèi)，并在實際的平面布置過程中確保結(jié)構(gòu)處在完全的對稱狀態(tài)下，實踐表明，這樣是可以有效減小扭矩的。

4 結(jié)束語

綜上所述，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和其它普通建筑有很大的不同，這不僅源于對高層建筑結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，還和結(jié)構(gòu)實際受力等因素有關(guān)。因此在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須充分考慮高層建筑結(jié)構(gòu)實際受力特點，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定及要求切實做好結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證設(shè)計的合理性與可行性。

參考文獻：

[1]王月紅，關(guān)杰.高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合分析[J].山西建筑，2012，38（32）：52～53.

[2]吳彩霞.高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計問題分析[J].中華民居，2012（6）：880.

[3]張啟華.高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計問題研究[J].科技致富向?qū)В?010（11）：120，131.