探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

仇揚軍

安徽省歙縣建筑設(shè)計院

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探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

仇揚軍

安徽省歙縣建筑設(shè)計院

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，功能俱全的高層建筑越來越多。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也越來越成為建筑結(jié)構(gòu)工程師的重要工作內(nèi)容。高層結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個長期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過程，在這過程中任何遺漏或錯誤都有可能對結(jié)構(gòu)造成安全隱患。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在工作中嚴(yán)格要求自己不斷學(xué)習(xí)新規(guī)范，力求掌握更為合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計特點；常見問題

前言

眾所周知，高層建筑已經(jīng)成為了今后建筑行業(yè)發(fā)展的一個重要趨勢，尤其是對于一些房屋建筑以及辦公建筑來說，高層建筑更是已經(jīng)成為了最為突出的一個方面，對于這種高層建筑的施工建設(shè)來說，最為關(guān)鍵的一點就是應(yīng)該保障其具備著較強(qiáng)的安全性和穩(wěn)定性，而這種安全性和穩(wěn)定性的保障又必須要從高層建筑的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行相應(yīng)的控制和管理，因為高層建筑的自身特點決定著其這方面的設(shè)計難度是比較大的，并且當(dāng)前人們對于高層建筑結(jié)構(gòu)所提出的要求也越來越多，因此，針對當(dāng)前我國現(xiàn)階段高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作進(jìn)行優(yōu)化和完善也就顯得極為必要，并且已經(jīng)成為了今后相關(guān)設(shè)計人員研究的一個重點所在。

1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

1.1水平荷載成為決定因素主要有如下兩方面

一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比。另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

1.2 軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大；還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進(jìn)行調(diào)整。另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結(jié)果。

1.3 側(cè)移成為控制指標(biāo)

與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

2不同類型高層建筑，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題

新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息﹑嵌固端上下層剛度比信息等。而且，新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案”。因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作的被動。

2.2 結(jié)構(gòu)的超高問題

在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為A級高度的建筑外，增加了B 級高度的建筑。因此，必須對結(jié)構(gòu)的該項控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B 級高度建筑甚或超過了B 級高度，其設(shè)計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設(shè)計中，出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題，導(dǎo)致施工圖審查時未予通過，必須重新進(jìn)行設(shè)計或需要開專家會議進(jìn)行論證等工作的情況，對工程工期﹑造價等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。

2.3 嵌固端的設(shè)置問題

由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置。因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設(shè)計﹑嵌固端上下層剛度比的限制﹑嵌固端上下層抗震等級的一致性﹑在結(jié)構(gòu)整體計算時嵌固端的設(shè)置﹑結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計工作的大量修改或埋下安全隱患。

3高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的扭轉(zhuǎn)問題

3.1 減輕扭轉(zhuǎn)破壞的方法

由于地面運動﹑建筑物質(zhì)量分布的不均勻﹑結(jié)構(gòu)剛度計算的局限性﹑設(shè)計假定與實際地震波相符程度以及抗扭構(gòu)件的非對稱性破壞等將引發(fā)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動，高層建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動是難以避免的。在設(shè)計中應(yīng)盡量防止結(jié)構(gòu)具有較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，同時，在構(gòu)造上采取措施，以減小扭轉(zhuǎn)。

3.2 改善扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

改善扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的原則：削弱中間，加強(qiáng)周邊。改善扭轉(zhuǎn)效應(yīng)主要的方法有：建筑平面及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則﹑對稱，并應(yīng)具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變；盡量加大周邊構(gòu)件截面，增大平面抗扭剛度；加厚離質(zhì)心較遠(yuǎn)處的剪力墻厚度，使質(zhì)心與剛心重合，減小偏心率；平面凹凸不規(guī)則處加拉梁，有條件的應(yīng)增設(shè)拉接樓板；剛度很大的簡體可加設(shè)結(jié)構(gòu)洞以減小剛度偏心，樓板薄弱處局部加厚?？傊?，一幢建筑結(jié)構(gòu)的動力性能基本上取決于它的建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。

3.3 抗扭措施

1）根據(jù)建筑高度的不同，選擇合適的結(jié)構(gòu)類型。

2）框架結(jié)構(gòu)和框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，框架和剪力墻均應(yīng)雙向設(shè)置，柱中線與剪力墻中線﹑梁中線與柱中線之間的偏心距不宜過大。

3）關(guān)于剪力墻：剪力墻宜貫通房屋全高，且橫向與縱向剪力墻宜相連；設(shè)置在墻面不需要開大洞口的位置；房屋較長時，縱向剪力墻不宜設(shè)置在端開間；剪力墻洞口宜上下對齊。

4）框架一剪力墻基礎(chǔ)應(yīng)有良好的整體性和抗轉(zhuǎn)動能力。

5）框架的角柱，其調(diào)整后的組合彎矩設(shè)計值﹑剪力設(shè)計值尚應(yīng)乘以不小于1.1 的增大系數(shù)。

6）剪力墻各墻肢截面組合的彎矩設(shè)計值，一級剪力墻的底部加強(qiáng)部位及以上一層，應(yīng)按墻肢底部截面組合彎矩設(shè)計值采用，其他部位應(yīng)乘以增大系數(shù)1.2。

4高層建筑結(jié)構(gòu)分析和計算問題

在結(jié)構(gòu)計算與分析階段，如何準(zhǔn)確，高效地對工程進(jìn)行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計和處理，是決定工程設(shè)計質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。由于新規(guī)范的推出對結(jié)構(gòu)整體計算和分析部分相當(dāng)多的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)。因此，結(jié)構(gòu)工程師也應(yīng)該有一個清晰的認(rèn)識。

5地震作用下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

地震時，由于地震波的作用產(chǎn)生地面運動，通過房屋基礎(chǔ)影響上部結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，房屋振動時產(chǎn)生的慣性力就是地震荷載。地震波可能使房屋產(chǎn)生垂直振動與水平振動，但一般對房屋的破壞主要是由水平振動引起。因此，設(shè)計中主要考慮水平地震力。大量震害表明：與低層建筑相比，高層建筑受地震影響的范圍更廣一些，振害后果也更嚴(yán)重一些。所以較確切地估計高層建筑的地震作用，是十分必要的。

6結(jié)語

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活質(zhì)量水平不斷提高，人類的居住環(huán)境﹑居住條件和居住需求也在不斷的變化，建筑物越來越朝著高層建筑的方向發(fā)展，建筑類型與功能愈來愈復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系的更加多樣化。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要提高水平，使建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計更安全﹑更合理。

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