文/陳曉平、盧嘉 重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 重慶 400030

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型分析

文/陳曉平、盧嘉 重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 重慶 400030

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑在城市發(fā)展中占據(jù)的比例越來越高；高層建筑中，結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型是重要的構(gòu)成方式，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型能夠?qū)⒏邔咏ㄖ耐庑翁卣鞅憩F(xiàn)出來，同時也保證了建筑的各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。本文在分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)及相關(guān)體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對其設(shè)計分析方法進(jìn)行了解析，希望以此為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化及完善提供一些具有價值的參考建議。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；選型分析

1、引言

高層建筑具有更高的社會經(jīng)濟(jì)效益，高層建筑也是生產(chǎn)力和消費(fèi)水平不斷提升的必然趨勢。隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市人口持續(xù)增加，土地資源日益緊缺，急需發(fā)展高層建筑來解決這些問題。高層建筑有利于緩解我國城市土地資源緊缺問題，減少市政建設(shè)投資、縮短建筑工期，而且高層建筑的功能更加豐富，符合人們對建筑功能的需求。但是高層建筑質(zhì)量及其功能發(fā)揮依賴于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，只有合理設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)造型才能充分其發(fā)揮起功能。文章對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型進(jìn)行分析。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)類型

高層建筑結(jié)構(gòu)主要分為三種類型：①剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)是指建筑內(nèi)外墻采用剪力墻設(shè)計方式，利用剪力墻承擔(dān)建筑負(fù)荷。②筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)分為框架-核心筒和筒中筒兩種類型，前者的受力特點(diǎn)為框架、筒體分別承受豎向和水平荷載，變性特點(diǎn)與框剪墻存在一定相似之處，但是其抗側(cè)剛度性能更好。筒體結(jié)構(gòu)計算方法三維空間法，計算結(jié)果的精度更高。③框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由多個框架和剪力墻共組成，該結(jié)構(gòu)類型優(yōu)點(diǎn)在于位移和內(nèi)力設(shè)計防范方式較多，但是連梁連續(xù)化假定方法計算位移協(xié)調(diào)條件時，應(yīng)該按照框架水平位移和剪力墻轉(zhuǎn)角設(shè)計，建立外荷載與位移關(guān)系的微分方程。但是需求和因素未知量之間存在差異，微分方程存在不同解。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計中水平荷載控制分析

高層建筑相對于底層建筑而言,其整體結(jié)構(gòu)對水平載荷具有較大的承載量,因此,高層建筑整體穩(wěn)定性直接受高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中水平荷載水平控制的影響。建筑承受的傾覆力矩、建筑的偏心軸向力等都與高層建筑的水平荷載具有直接的關(guān)系,其關(guān)系為二次方倍數(shù)關(guān)系。因此,高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,對水平荷載需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制,從而使得由于過大的水平荷載造成的連鎖性穩(wěn)定性問題得到有效控制。

3.2 合理確定抗側(cè)剛度

高層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，較之于低層建筑有所差異，而且會給結(jié)構(gòu)側(cè)移造成較大的影響。受樓層高度變化的影響，隨著水平荷載測量變形的影響，結(jié)構(gòu)側(cè)移也會越來越大。因此，進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要達(dá)到一定程度，還要能承受荷載作用帶來的內(nèi)力影響，與此同時，要求抗側(cè)剛度也須具備，保證結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下對側(cè)移的情況進(jìn)行控制。

3.3 確定測控

與低層建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)移問題，并成為高層建筑結(jié)構(gòu)的重要因素。隨著樓層增加，水平荷載側(cè)變形也越來越大。高層建筑結(jié)構(gòu)不僅需要具備一定強(qiáng)度，還需具備承受荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力作用和抗側(cè)剛度，以防建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下發(fā)生側(cè)移。

4、高層建筑結(jié)構(gòu)選型的方法

4.1 定量方法

高層建筑結(jié)構(gòu)選型還可以采用定量的方法,即在結(jié)構(gòu)設(shè)計中設(shè)置好結(jié)構(gòu)體系比較和選擇的范圍,先舍棄結(jié)構(gòu)選型中的一些次要的影響因素,進(jìn)行定量選擇在運(yùn)用定量方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時,忽略掉不容易將影響因素轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)計量單位進(jìn)行評估比較的成分,把可以轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)計量單位的成分因素留下,再將這些成分進(jìn)行計算比較。例如,在高層建筑結(jié)構(gòu)選型時,計算工程建設(shè)的工程概況中相關(guān)的數(shù)據(jù)、將結(jié)構(gòu)造價與整個建筑的成本價格進(jìn)行比較、結(jié)構(gòu)施工工期與整體成本的比較。在這些比較中,包括了利息、租金等計算。依據(jù)定量的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型,實(shí)際上也具有一定的局限性,在定量計算時僅僅只是以整體成本為目標(biāo),而且定量計算中的數(shù)據(jù)是無法分析的。此外,定量計算在數(shù)據(jù)的選擇上會受到人為的主觀的影響,最后結(jié)構(gòu)選型的方案也會受到影響。

4.2 結(jié)構(gòu)布置

通過對建筑的使用功能進(jìn)行考慮，選擇框架一核心筒結(jié)構(gòu)，剪力墻與框架抗震等級均為一級。對結(jié)構(gòu)平面進(jìn)行布置時，要考慮到結(jié)構(gòu)對水平和豎向荷載的抵抗能力，在核心筒位置布置剪力墻，受力明確、傳力直接，墻體對稱布置，考慮扭轉(zhuǎn)因素的影響，在對建筑使用功能不受影響的基礎(chǔ)上，將抗側(cè)力剪力墻布置在建筑平面四角位置，降低扭轉(zhuǎn)帶來的影響。建筑平面布置規(guī)則相對比較簡單，只需考慮剛度對稱，減少地震作用影響，在核心筒內(nèi)部設(shè)置電梯井筒，框架布置根據(jù)建筑平面進(jìn)行即可。布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，盡量保證梁與柱的重心重合，從而可以有效地保證作用力直接傳導(dǎo)，如果梁和柱的重心無法重合時，就需要在計算時，對梁和柱的重心在核心區(qū)出現(xiàn)受力偏心對結(jié)構(gòu)帶來的一些不利影響，如果偏心距較大，一般大于柱寬的1/4時，可采用增加梁的水平加腋措施來解決，從而可有效降低由于偏心過大而帶來的不利影響。

4.3 迷糊推理法

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)選型時,相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以在運(yùn)用信息技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊推理,建立一個完整的綜合評判的數(shù)學(xué)模型。在模糊推理的過程中,可以將影響結(jié)構(gòu)選型的某些定性、定量的因素綜合起來,再根據(jù)所有相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析。由于在推理的過程中依據(jù)的是大量的真實(shí)數(shù)據(jù),因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時具有一定的準(zhǔn)確性?！?」但是,運(yùn)用模糊推理的方法也有其自身的缺陷,就是在推理時考慮到的數(shù)據(jù)和因素具有極大不確定性和模糊性,在所有的因素影響下,高層建筑的結(jié)構(gòu)選型需要進(jìn)行多目標(biāo)決策。這個方法最大的優(yōu)勢在于,結(jié)構(gòu)選型能夠做到較為客觀與科學(xué)。

結(jié)語：

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計融合結(jié)構(gòu)分析、數(shù)學(xué)優(yōu)化與計算機(jī)技術(shù)等,作為綜合性技術(shù)工作其實(shí)用性非常強(qiáng)。隨著高層建筑的不斷發(fā)展,結(jié)構(gòu)體系越來越復(fù)雜,建筑平面功能越來越高,因此,在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型方面的要求也不斷提高。基于高層建筑穩(wěn)定與安全的基礎(chǔ)上,對高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計與合理選型,從而不斷推動高層建筑設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。

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