高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李石

摘 要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)的發(fā)展也迎來了春天，越來越多的高層建筑拔地而起，大城市中高層建筑隨處可見。人們物質(zhì)生活極大豐的同時(shí)，對(duì)建筑的實(shí)用性、安全性、觀賞性要求也越來越高。建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)建筑工程能否順利完工的關(guān)鍵所在。因此，本文將對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題進(jìn)行詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題；要點(diǎn)

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 水平作用是決定因素

首先，因建筑結(jié)構(gòu)本身存在自重，這將在豎向構(gòu)件中引起軸力彎矩，數(shù)值正比于建筑高度的一次方，在水平力的作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生傾覆力矩，數(shù)值正比于建筑高度的二次方；此外，如果建筑物的高度確定了，豎直方向的載荷基本就是固定值，但水平方向的作用力并不確定，會(huì)受到地震、風(fēng)等因素作用的影響。

1.2 側(cè)移是控制指標(biāo)

與多層建筑相比，決定高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素是結(jié)構(gòu)側(cè)移。水平載荷作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)側(cè)移會(huì)隨著建筑物高度的增長而不斷增加，結(jié)構(gòu)定點(diǎn)處的側(cè)移正比于建筑物高度的四次方。因此為了保障建筑物的安全性，必須做好結(jié)構(gòu)側(cè)移的控制。

1.3 結(jié)構(gòu)延性成為重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

延性是指構(gòu)件在受到載荷而屈服后，有足夠的塑形變形性能，而產(chǎn)生塑形變形后，承載能力不改變或基本不存在下降現(xiàn)象，通常用延性比來表示。隨著外載荷的不斷增加，受彎構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象，首先受拉區(qū)域的混凝土?xí)辛芽p出現(xiàn)，甚至變形。然后受拉鋼筋會(huì)出現(xiàn)屈服變形，受壓區(qū)域高度下降，甚至出現(xiàn)混凝土被壓碎的現(xiàn)象，最后可能造成構(gòu)件破壞。

1.4 軸向變形也不容輕視

隨著建筑物高度的增加，豎向載荷也會(huì)不斷加大，這就可能使柱中產(chǎn)生很大的軸向變形，進(jìn)而對(duì)連續(xù)梁彎矩造成不良影響，連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩會(huì)因此變小，跨中部分的正彎矩值和端支座處的負(fù)彎矩值會(huì)受影響而變大，因此，下料的實(shí)際長度要將軸向變形的具體數(shù)值考慮在內(nèi)；此外，也會(huì)影響到構(gòu)件剪力和側(cè)移。所以要對(duì)構(gòu)件的豎向變形做到正確分析與考慮，才能保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

2.1 設(shè)計(jì)人員基礎(chǔ)知識(shí)薄弱

在一些規(guī)模較小的設(shè)計(jì)公司，設(shè)計(jì)人員對(duì)施工的工藝流程掌握不到位，脫離了設(shè)計(jì)圖庫和計(jì)算機(jī)根本無法完成圖紙的設(shè)計(jì)，施工現(xiàn)場設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，施工過程中遇到的技術(shù)難題不能憑借專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)有效解決。這樣缺乏經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)、紙上談兵的建筑圖紙，在低成本的小型建筑項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛，比如一些拆遷項(xiàng)目重建，這些建筑物通常存在技術(shù)隱患，使用壽命不長的問題。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)不足，標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范推廣應(yīng)用落后

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常存在結(jié)構(gòu)抗震性能考慮不充分的問題。我國地震帶分布不一，部分省市對(duì)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有足夠的重視，致使結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展一直處于緩慢狀態(tài)。與日本和美國具有較為突出的抗震概念設(shè)計(jì)成果的國家，我國有關(guān)抗震性能的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用和推廣的力度不夠。

2.3 建筑物超高問題

建筑物的層數(shù)越來越多，高度也不斷增加，因此，建筑質(zhì)量和抗震性能等方面都有很多問題需要解決。與多層建筑相比，高層建筑的抗震性能要求較高，相關(guān)規(guī)范以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對(duì)建筑物的高度有明確的規(guī)定，超高建筑在設(shè)計(jì)過程要將抗震要求考慮其中。目前一些高層建筑存在超高問題，而又沒有制定嚴(yán)格的抗震措施。

2.4 短肢剪力墻的設(shè)置

將那些墻肢截面高度與厚度的比值位于5～8的剪力墻定義為短肢剪力墻。近年來逐漸發(fā)展起來的短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，雖然對(duì)住宅建筑的布置比較有利，也可以使結(jié)構(gòu)的自重減輕，但在高層住宅中需要注意的是，剪力墻肢的設(shè)計(jì)不宜太短，這是因?yàn)槎讨袅λ哂械目拐鹦阅懿患?，為了確保安全，高層建筑結(jié)構(gòu)中剪力墻的設(shè)置不應(yīng)采用全部都是短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)工程師越來越重視地基與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，這個(gè)階段的設(shè)計(jì)過程能否合理的完成將直接影響后期設(shè)計(jì)工作的順利進(jìn)行情況，也直接決定著整個(gè)項(xiàng)目的運(yùn)作成本。因此，這個(gè)階段極為重要，存在著不可預(yù)計(jì)的問題，處理不好可能造成不可估量的損失。高層建筑應(yīng)根據(jù)整體布局的設(shè)計(jì)來確定滿足承載要求和不均勻沉降的地基形式?？赏ㄟ^設(shè)置地下室的方式用于減小高層建筑地基的沉降問題，這也有利于保證地基的承載力和建筑物主體的穩(wěn)定性。

3.2 建筑結(jié)構(gòu)受力性能

在建筑結(jié)構(gòu)的最初設(shè)計(jì)過程中，建筑設(shè)計(jì)師往往考慮最多的是有關(guān)空間組合的設(shè)計(jì)，而不是對(duì)具體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。分析建筑的結(jié)構(gòu)組成，水平和垂直方向上的空間穩(wěn)定性極為重要，因?yàn)橛行┙ㄖ锏慕M成中包含很多又大又重的組合物，因此結(jié)構(gòu)必須具備將自重傳至基礎(chǔ)的能力，結(jié)構(gòu)承受的載荷能夠向下作用于基礎(chǔ)面，因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須明確結(jié)構(gòu)體系中向下的作用力與地基所能承受的力之間的關(guān)系，要對(duì)主要的承重墻的數(shù)量以及分布情況做出明確的設(shè)計(jì)。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問題

要將建筑三心即幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心，盡量匯聚于一點(diǎn)，做到三心合一，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要保證的因素。而在設(shè)計(jì)過程中不能保證三心合一是造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的直接原因，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到水平載荷作用時(shí)將發(fā)生扭轉(zhuǎn)震動(dòng)效應(yīng)。為了確保建筑物不因承受水平載荷發(fā)生扭轉(zhuǎn)而遭到破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要做好結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和整體的平面布局，因此要盡量保證建筑物三心合一。當(dāng)高層建筑物承受水平載荷時(shí)，扭轉(zhuǎn)程度取決于質(zhì)量分配。為了使結(jié)構(gòu)受力均勻，樓層的水平作用力應(yīng)該沿平面分布，使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減小，因此，建筑平面應(yīng)該盡量采用方形、圓形、正多邊形等平面圖形。實(shí)際施工過程中，由于街景的限制，高層建筑完全采用平面形式不可能完成施工，也需要采用如十字形、T形、L形、等較為復(fù)雜的平面圖形，這就需要控制好突出部分厚度與寬度的比值，使其在規(guī)定允許的范圍之內(nèi)，在結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使其對(duì)稱。

3.4 建筑高度、高寬超限問題

現(xiàn)行房屋建筑規(guī)范給出了房屋的最大建筑高度和高寬比的最大限度值。實(shí)踐應(yīng)用中，有些高層建筑存在高度和高寬比的最大限度值超過規(guī)定值的問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，若發(fā)現(xiàn)規(guī)范約定的建筑高度、長寬比和尺寸不能滿足高層建筑物的復(fù)雜設(shè)計(jì)，應(yīng)該將該建筑物按照超限高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，還需注意的問題是，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的類型及抗震程度決定建筑物可達(dá)到的最大高度外，還受到場地類別的規(guī)則程度限制，當(dāng)建筑物處于Ⅳ類場地或結(jié)構(gòu)的豎向呈不均勻狀態(tài)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低最大高度。

3.5 抗震設(shè)計(jì)要求更高

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要做好抗震防震設(shè)計(jì)，建筑物正常使用時(shí)所承受的豎向荷載和風(fēng)荷載要正確計(jì)算，確保建筑物具備足夠的抗震性能。

3.6 概念設(shè)計(jì)和理論計(jì)算具有同等重要性

抗震設(shè)計(jì)由兩部分組成，分別是計(jì)算設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)。雖然設(shè)計(jì)原則在不斷改善，但抗震設(shè)計(jì)計(jì)算始終有一部分是在假象條件下進(jìn)行的，影響地震的因素很多，大多復(fù)雜且不確定，結(jié)構(gòu)體系本身就比較復(fù)雜，同時(shí)還要受到地基土等不確定因素的影響，因此通過理論分析計(jì)算得到的數(shù)值可能與實(shí)際情況相差較大。尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入到彈塑性變形階段時(shí)，構(gòu)件局部極有可能開裂，此時(shí)按照常規(guī)的計(jì)算原理去分析結(jié)構(gòu)基本是行不通的。諸多實(shí)踐表明，概念設(shè)計(jì)直接影響著高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

高層建筑在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)格局中得到了快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)力學(xué)模型的合理性和建筑物結(jié)構(gòu)的觀賞性有更高的追求，更多的高素質(zhì)高知識(shí)的人才朝著這個(gè)方向不斷努力，未來，高層建筑將迎來更廣闊的發(fā)展空間，值得期待。

參考文獻(xiàn)

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