高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型探討

陳維

摘要：我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展伴隨著綜合國(guó)力的加速提升，與此同時(shí)，也加快了我國(guó)房地產(chǎn)向前邁進(jìn)的步伐，建筑行業(yè)的興起促進(jìn)我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)的不斷壯大?；诖?，本文主要針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程的結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：高等建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)選型

前言

社會(huì)的高速發(fā)展推動(dòng)了人們生活水平不斷改善，也決定了人們對(duì)建筑方需求不僅僅停留在單純生存住房需求，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的要求也日漸高漲。建筑結(jié)構(gòu)在初期設(shè)計(jì)優(yōu)化方面需要考慮多層次要求。很多建筑公司在進(jìn)行高層建筑的時(shí)候比較注重實(shí)際的結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)，對(duì)初期的概念設(shè)計(jì)反而缺乏關(guān)注，我們必須避免這種頭重腳輕的行為。對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)如何選型是眾多工程師首先要面臨的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)，我們?cè)诟鶕?jù)一定規(guī)律的基礎(chǔ)上結(jié)合建筑的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)效益以及對(duì)充分考慮施工安全可能造成的影響選擇合適的結(jié)構(gòu)選型。因此，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行合理的選型是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的首要任務(wù)。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

高層建筑對(duì)結(jié)構(gòu)的要求比較嚴(yán)謹(jǐn)，它需要承受來(lái)自風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載、垂直荷載以及抗震能力。高層建筑在結(jié)構(gòu)上對(duì)水平荷載和地震作用的要求都要高于低層建筑。位移也會(huì)隨著建筑高度的增加而加快大，這對(duì)居民的使用勢(shì)必造成一定影響，給人不安全感。為此，建筑在設(shè)計(jì)抗側(cè)力的同時(shí)要考慮到位移的結(jié)構(gòu)，兩者必須控制在規(guī)定范圍之內(nèi)。

1.2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）框架—剪力墻體系。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)框架—剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的計(jì)算方法主要以連梁連續(xù)化假定為主。位移的協(xié)調(diào)條件的計(jì)算需要建立在對(duì)剪力墻與框架水平位移或者轉(zhuǎn)角相等的基礎(chǔ)上，通過(guò)位移建立和外荷載之間的微分方程來(lái)進(jìn)行求解。由于計(jì)算過(guò)程有太多不確定的未知量加上考慮的因素比較多，不同的解答對(duì)應(yīng)的結(jié)果也各不相同。（2）剪力墻體系。剪力墻的受力和變形特征和狀態(tài)是由剪力墻的開(kāi)洞情況來(lái)決定。單肢墻和特殊開(kāi)洞墻都屬于單片剪力墻，根據(jù)受力特性的不同進(jìn)行區(qū)分。內(nèi)力與位移計(jì)算時(shí)需要根據(jù)不同類(lèi)型的剪力墻的截面應(yīng)力分布采取不同的計(jì)算方法。平面有限單元法計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，是剪力墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算中常用的方法。然而缺點(diǎn)在于，這種計(jì)算方法自由度較多，各方面花費(fèi)較高。在實(shí)際應(yīng)用中人們更愿意選擇特殊開(kāi)墻。（3）筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)的分析方法按照以分為以下三大類(lèi)：等效連續(xù)化、離散化方法和三維空間分析。綜上所述，三維空間方法是目前的工程上采用最多的計(jì)算機(jī)模型，和其他方式相比它更具有優(yōu)越性和精確性。

2.某工程結(jié)構(gòu)選型分析

2.1 工程概況

將某寫(xiě)字樓設(shè)計(jì)為高層建筑是某工程項(xiàng)目的主要功能。業(yè)主希望寫(xiě)字樓空間大、結(jié)構(gòu)安全、價(jià)格經(jīng)濟(jì)合理，而城市規(guī)劃主管部門(mén)提出了一定的條件和要求，經(jīng)過(guò)多次跟業(yè)主協(xié)商，最后敲定為28層綜合電梯樓，項(xiàng)目總占地面積約25000m2，主入口利用地形高差設(shè)置在主干道中興路，整個(gè)結(jié)構(gòu)沒(méi)有設(shè)置地下室，建筑平面主要以規(guī)則對(duì)稱(chēng)的井字型，下部吊2層，其他樓層層高控制在3.3m，建筑高度和結(jié)構(gòu)高度分別在93.8m和92.4m。為了滿(mǎn)足辦公建筑的所有建筑功能要求，在結(jié)構(gòu)體系的選擇上面則需要對(duì)框一筒結(jié)構(gòu)體系和剪力墻結(jié)構(gòu)體系這兩種體系進(jìn)行比較分析，通過(guò)對(duì)建筑高度、抗震、高度以及經(jīng)濟(jì)性上面的綜合比較進(jìn)行合理選擇。

2.2 計(jì)算參數(shù)的設(shè)定

此次工程抗震設(shè)防烈度和設(shè)防類(lèi)別分別為6度和丙類(lèi)，地震分組和基本加速度設(shè)計(jì)分別為第一組合0.05g。本工程的建筑場(chǎng)地為I類(lèi)場(chǎng)地，屬于A級(jí)高度建筑，在抗震構(gòu)造措施方面要求按照本地區(qū)的抗震設(shè)防烈度，其中剪力墻和框架柱結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)都為三級(jí)。另外在水平地震影響系數(shù)和場(chǎng)地特征周期具有一定的要求，他們必須分別在最大值αmax= 0.04和周期Tg=0.25s，并保持β=2.25的放大系數(shù)和0.40kN/m2基本風(fēng)壓，地面的粗糙度控制在D類(lèi)，工程樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值由荷載規(guī)范進(jìn)行取值，其他要求均按照 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001的規(guī)定，包括風(fēng)壓體形系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)及風(fēng)振系數(shù)進(jìn)行有效控制。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)體系對(duì)建筑使用功能的影響

電梯、樓梯間及設(shè)備管線井道四周布置的鋼筋混凝土墻是整個(gè)項(xiàng)目框一筒結(jié)構(gòu)體系的核心筒重要部分。一般來(lái)說(shuō)，核心筒平面尺寸的大小影響著整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力和抗側(cè)剛度。服務(wù)性用房面積會(huì)隨著核心筒的增大而增大，相反從建筑使用角度來(lái)看建筑的使用面積卻在減小。另外，建筑的使用也會(huì)受到高層結(jié)構(gòu)的框架架柱截面的大小的影響，框架柱截面越大意味著使用的空間越大，為了滿(mǎn)足辦公建筑多方面的需求，需要對(duì)建筑平面和造型進(jìn)行靈活布置。為了不影響各個(gè)房間的功能使用，在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中需要對(duì)隔墻的位置固定到位。房間內(nèi)減少了柱、梁等其他非標(biāo)構(gòu)建，在裝修方面不僅有利于美觀，也方便其他室內(nèi)家具的擺放?？蛞煌步Y(jié)構(gòu)體系在適應(yīng)建筑功能方面比剪力墻結(jié)構(gòu)體系更能滿(mǎn)足更多現(xiàn)代化辦公建筑的需求。

2.3.2 結(jié)構(gòu)體系對(duì)結(jié)構(gòu)受力合理性的影響

由于地震以及風(fēng)荷載作用下框一筒結(jié)構(gòu)體的最大層間位移都會(huì)出現(xiàn)在第16層，層間位移偏差不大。另外受到水平荷載的影響，框架一核心筒結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)側(cè)向彎曲或者剪力變形，其中側(cè)移曲線和彎曲型桿件的側(cè)移曲線相接近。各樓層蓋水平剛度受到約束后，框架一核心筒體系中的框架側(cè)移和核心筒現(xiàn)象一致，在一定程度上改善了構(gòu)件上下層間側(cè)移角嚴(yán)重不均勻的情況，與單一結(jié)構(gòu)體系的純框架、純剪力墻結(jié)構(gòu)整個(gè)結(jié)構(gòu)相比，他們的等強(qiáng)設(shè)計(jì)和滿(mǎn)足變形要求具有一定的優(yōu)越性。剛度較大對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)體系的側(cè)移影響比較小。在房屋層數(shù)比較少的工程中采用純剪力墻結(jié)構(gòu)，當(dāng)墻體的高寬比值在1以下，在水平荷載的影響，墻體側(cè)移曲線容易出現(xiàn)剪切變形，然而一般不會(huì)出現(xiàn)明顯的彎曲變形。而相反情況下，房屋層數(shù)一旦增加，墻體的高寬比值在4以上，墻體受到水平荷載的影響側(cè)移曲線大多數(shù)出現(xiàn)彎曲變形側(cè)移，剪力變形逐漸減少，另外，當(dāng)墻體的高寬比值介于以上兩種數(shù)字之間，此時(shí)墻體出現(xiàn)剪切變行和彎曲變形的概率等同，側(cè)移曲線則多為剪彎型。由此可知，為了保證兩種結(jié)構(gòu)形式在保持良好剛度的基礎(chǔ)上，在地震和風(fēng)荷載的作用下不會(huì)出現(xiàn)明顯的位移，需要對(duì)整個(gè)建筑進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

2.3.3 結(jié)構(gòu)體系對(duì)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的影響

高層建筑的投資過(guò)于龐大，為了控制成本;為了建筑早一點(diǎn)交付使用，更早的取得經(jīng)營(yíng)收入;為了縮短資金的使用周期，將資金的時(shí)間價(jià)值控制最低;通常都需要盡量縮短結(jié)構(gòu)的施工周期。通常選擇的結(jié)構(gòu)方案前期投入可能更多，但如果能縮短施工周期的話，那就一定是最經(jīng)濟(jì)的方案。從數(shù)據(jù)分析得出兩種法案大體差不多，無(wú)論是內(nèi)力、位移還是周期，但是剪力墻結(jié)構(gòu)體系對(duì)于框一筒結(jié)構(gòu)體系混凝土用量高，在單方造價(jià)上有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3.結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家和學(xué)者都非常重視高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及選型，但只是基于理論上的研究，具體還沒(méi)有通過(guò)實(shí)際應(yīng)用。高層建筑行業(yè)在結(jié)構(gòu)選型的時(shí)候有著以下特點(diǎn)：復(fù)雜、很強(qiáng)的綜合性、大量的不確定性。為了更方便高層建筑結(jié)構(gòu)選型，通常會(huì)研究并建立充分的智能型優(yōu)化方案，如專(zhuān)家系統(tǒng)智能高層選層方法以及知識(shí)發(fā)現(xiàn)智能選型方法。

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