高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

陳曦

【摘 要】隨著社會(huì)的進(jìn)步，高層建筑的發(fā)展日新月異。建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和人們生活品質(zhì)的提高，給高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。怎樣設(shè)計(jì)出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的高層民用建筑是設(shè)計(jì)者面臨的重要問(wèn)題。本文分析了影響高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素，介紹了高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置要求，并對(duì)高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需注意的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；平面結(jié)構(gòu)；豎向結(jié)構(gòu)

1.影響高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素

1.1水平荷載

水平荷載是高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的決定因素。建筑結(jié)構(gòu)整體近似于一個(gè)懸臂梁，水平荷載引起的傾覆力矩和軸力與樓房高度的平方成正比。對(duì)高層民用建筑來(lái)講，水平荷載主要有風(fēng)荷載和地震作用等，在水平荷載的作用下，建筑結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，所以水平荷載是建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要考慮的重要因素。

1.2軸向變形

軸向變形在高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中不容忽視。高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建筑自重和樓層載重荷載所產(chǎn)生的軸力和彎矩與樓房高度的呈線性關(guān)系。高層民用建筑的豎向的荷載包括建筑自重和樓層載重等，數(shù)值很大，容易引起較大的軸向變形。軸向變形會(huì)是建筑的內(nèi)力分布發(fā)生變化，引起構(gòu)建的塑性變形。因此，在高層民用建筑設(shè)計(jì)中，要充分考慮豎向荷載的作用，進(jìn)行合理的配筋設(shè)計(jì)。

1.3側(cè)移

側(cè)移成為高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)。在地層的樓房設(shè)計(jì)中，基本不存在側(cè)移問(wèn)題，但如果高層民用建筑設(shè)計(jì)不合理，在水平荷載的作用下，樓房發(fā)生側(cè)移的可能性很大。為了維持建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一定要把側(cè)翼變形維持在一定的范圍之內(nèi)，只有這樣才能保證建筑結(jié)構(gòu)的安全。

1.4結(jié)構(gòu)延性

結(jié)構(gòu)延性是高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要指標(biāo)。為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠，防止高層民用建筑結(jié)構(gòu)在地震等自然災(zāi)害作用下出現(xiàn)倒塌等重大破壞，必須要在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師采取措施，提高結(jié)構(gòu)的延性，是高層建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后，仍具有變形能力。

2.高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布置要求

2.1平面結(jié)構(gòu)布置要求

高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的平面形狀應(yīng)采用規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，要盡量做到簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，使結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛心重合。由于建筑功能要求必須進(jìn)行不規(guī)則設(shè)計(jì)時(shí)，可以將建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，使其形成比較規(guī)則的簡(jiǎn)單獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，防止產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的端部構(gòu)件位移，建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)過(guò)大還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成建筑結(jié)構(gòu)的破壞。判定建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)十分過(guò)大有兩種方法：第一，概念設(shè)計(jì)法。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行平面結(jié)構(gòu)布置時(shí)，近似計(jì)算出質(zhì)心和剛心，找出偏心距，并通過(guò)控制平面規(guī)則性，盡量讓質(zhì)心和剛心重合。第二，比值法。通過(guò)控制樓層最大彈性水平位移與樓層兩端彈性水平位移的比值來(lái)確定結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)情況，如果比值超過(guò)1.2，則為結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

2.2豎向結(jié)構(gòu)布置要求

高層民用建筑結(jié)構(gòu)豎向布置的最基本原則是均勻、規(guī)則。均勻是指建筑結(jié)構(gòu)的上下體型、剛度、承載力和質(zhì)量的分布及變化均勻。就建筑結(jié)構(gòu)的上下體型來(lái)講，應(yīng)當(dāng)是自下而上逐漸收進(jìn)，且應(yīng)限制收進(jìn)尺寸，不應(yīng)出現(xiàn)過(guò)大變化或突然變化。上部樓層收進(jìn)后，樓層的平面尺寸會(huì)減小，高振型影響會(huì)加大。如果豎向結(jié)構(gòu)布置上部樓層設(shè)計(jì)過(guò)大，就會(huì)造成扭轉(zhuǎn)明顯加大，頭重腳輕，使建筑結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。就建筑結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)講，其豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也應(yīng)該為下大上小，從下而上逐漸減小。如果建筑結(jié)構(gòu)下層設(shè)計(jì)剛度較小，會(huì)形成建筑結(jié)構(gòu)薄弱層，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)下部變形，嚴(yán)重的還會(huì)造成建筑倒塌。規(guī)則主要是指建筑體型規(guī)則。如果必須要求變化，也應(yīng)是有規(guī)則的漸變。建筑體型嚴(yán)重不規(guī)則的的建筑在地震時(shí)特別容易形成集中變形，引發(fā)倒塌事故。

3.高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題研究

3.1高層民用建筑結(jié)構(gòu)體系選取

設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)首先要明確建筑的結(jié)構(gòu)體系，只有根據(jù)具體情況，正確選取建筑結(jié)構(gòu)體系才能設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)。目前，高層民用建筑一般都是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用剪力墻結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)由框架和剪力墻組合而成，以剪力墻作為主要抗側(cè)力構(gòu)建，承受大部分水平荷載，框架則主要承受豎向荷載，框架和剪力墻合理分工，共同受力。剪力墻應(yīng)均勻設(shè)置平面形狀變化較大和豎向荷載較大的部位。該結(jié)構(gòu)體系以框架結(jié)構(gòu)為主，剪力墻為輔助，較適用于25層以下的建筑。

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來(lái)代替框架結(jié)構(gòu)中的粱柱，剪力墻作為豎向承重和抵抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)，傘部承受結(jié)構(gòu)的豎向和水平力。這種結(jié)構(gòu)體系通常采用平面布置形式，由于剪力墻受豎向荷載和水平荷載共同作用，剪力墻應(yīng)雙向或多向布置。同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)全部由剪力墻組成，其剛度要比框架剪力墻結(jié)構(gòu)更好，該結(jié)構(gòu)體系常用f40層以下的高層住宅建筑等，而且該結(jié)構(gòu)高寬比不宜大于6，其高度也應(yīng)考慮抗震要求。

3.2高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參數(shù)控制和調(diào)整

在高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，各參數(shù)的控制和調(diào)整直接影響建筑結(jié)構(gòu)的安全性，合理的選擇各個(gè)控制參數(shù)，并作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以提高建筑結(jié)構(gòu)的整體控制效率，增加建筑結(jié)構(gòu)的合理性。以下介紹了一些重要參數(shù)的控制與調(diào)整：

（1）軸壓比：通過(guò)限制軸壓比，可以保證建筑結(jié)構(gòu)的延性要求。軸壓比可以通過(guò)增大墻、柱的截面，提高墻、柱混凝土強(qiáng)度等方法進(jìn)行調(diào)整。

（2）層間位移角：限制建筑結(jié)構(gòu)的層間位移角，可以保證高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免因出現(xiàn)過(guò)大位移影響使用。層間位移角只能通過(guò)加強(qiáng)豎向構(gòu)件剛度的方法進(jìn)行調(diào)整。

（3）周期比：建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，以減小扭轉(zhuǎn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。周期比只能通過(guò)改變結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行調(diào)整。

（4）剪重比：限制各樓層的最小水平地震剪力，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全。剪重比可以通過(guò)加強(qiáng)豎向構(gòu)件剛度的方法進(jìn)行調(diào)整。

（5）剛度比：剛度比的規(guī)范主要是為了是建筑結(jié)構(gòu)布置更有規(guī)則性，避免建筑結(jié)構(gòu)沿豎向突變，形成薄弱層。剛度比可以通過(guò)適當(dāng)加強(qiáng)下層墻、柱和梁的剛度，或適當(dāng)削弱上部相關(guān)樓層墻、柱和梁的剛度來(lái)調(diào)整。

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