關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

1、<p>　　關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討</p><p>　　摘要：現(xiàn)代城市中高層建筑是城市的主要建筑，創(chuàng)造著城市引人注意的輪廓線，本文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行了探討。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；探討 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TU7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： </p><p>　　高層建筑是城市

2、空間的元素，優(yōu)秀的高層建筑并不是排斥城市空間的明星建筑而是能一個(gè)創(chuàng)造人性的場(chǎng)所，又融入文脈的關(guān)系，不去破壞城市空間的和諧。優(yōu)秀的高層建筑要考慮使用者的需要，以城市的公眾利益為追求的目標(biāo)。我們必須在高層和城市的發(fā)展中取得平衡，才能創(chuàng)造出更好的城市景觀和適合人們生活的環(huán)境，才能沿著可持續(xù)發(fā)展的道理健康地發(fā)展下去。高層建筑隨著城市化的發(fā)展越來越多樣化，而出現(xiàn)的問題也更加復(fù)雜。隨著層數(shù)和建筑高度增加，利用結(jié)構(gòu)空間作用，又發(fā)展了框架———簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)

3、、簡(jiǎn)中簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)、多簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)體系。高層建筑結(jié)構(gòu)的承載能力、側(cè)移剛度、抗震性能、材料用量和造價(jià)高低，與其采用結(jié)構(gòu)體系有著密切關(guān)系。不同結(jié)構(gòu)體系，適用于不同層數(shù)、高度和功能的建筑。 在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水平力是控制的主要因素，在地震區(qū)水平力是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的決定因素。剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、周期短、地震作用大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度。近年來出現(xiàn)了一系列新的結(jié)構(gòu)體系，其中有巨型框架結(jié)構(gòu)、巨型桁架結(jié)構(gòu)、懸掛和懸挑結(jié)構(gòu)。目前采用這些結(jié)

4、構(gòu)體系的工程尚較少，經(jīng)驗(yàn)不多，對(duì)于這些結(jié)構(gòu)的研究也不夠深入、成熟，尚不能普遍推廣于設(shè)計(jì)與施工中。 </p><p>　　1 概念設(shè)計(jì)與理論計(jì)算 </p><p>　　概念設(shè)計(jì)是指一些難以做出精確力學(xué)分析或在規(guī)范中難以具體規(guī)定的問題，必須由工程師運(yùn)用“概念”進(jìn)行分析，做出判斷，以便采取相應(yīng)措施。概念設(shè)計(jì)帶有一定經(jīng)驗(yàn)性。高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算是在一定假定條件下進(jìn)行的。盡管分析的手段不斷提高

5、，分析的原理不斷完善，但是由于地震作用的復(fù)雜性和不確定性，地基土影響的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)體系本身的復(fù)雜性，可能導(dǎo)致理論分析計(jì)算和實(shí)際情況相差數(shù)倍之多。尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段之后，會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件的局部開裂，甚至破壞，這時(shí)結(jié)構(gòu)就很難用常規(guī)的計(jì)算原理去進(jìn)行內(nèi)力分析。實(shí)踐表明，雖然分析計(jì)算是必須的，也是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，但僅此往往不能滿足結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的要求，不能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在設(shè)計(jì)中把握好高層建筑的概念設(shè)計(jì)，從整體上提高建筑的抗震能力，消除

6、結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，才能設(shè)計(jì)出具有良好抗震性能的高層建筑。將注重概念設(shè)計(jì)作為高層建筑結(jié)構(gòu)的最高原則提出，其主要內(nèi)容為： </p><p>　　1.1 應(yīng)特別重視建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則和均勻性(包括平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性)。 </p><p>　　1.2 合理選擇建筑結(jié)構(gòu)體系包括： </p><p>　　1.2.1 明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑； </p&g

7、t;<p>　　1.2.2 避免因部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失承受重力、風(fēng)載和地震作用的能力； </p><p>　　1.2.3結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的承載能力和良好的變形能力，從而形成良好的耗能能力； </p><p>　　1.2.4結(jié)構(gòu)除需要滿足水平方向的剛度和抗震能力外，還應(yīng)具有足夠的抗扭剛度和抵抗扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能力。 </p><p>　　1.

8、3 結(jié)構(gòu)的整體性（高層建筑基礎(chǔ)的整體性以及基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的可靠連接是結(jié)構(gòu)整體性的重要保證）。 </p><p>　　1.4 采取必要的抗震措施提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。 </p><p>　　1.5應(yīng)有意識(shí)、有目的控制加強(qiáng)薄弱層（部位），使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移；對(duì)于應(yīng)力集中的凹槽和狹長(zhǎng)的縮頸部位以及樓蓋開大洞時(shí)，應(yīng)采取相關(guān)加強(qiáng)措施（板厚加大，并加強(qiáng)樓板配筋；住宅凹槽處設(shè)置加強(qiáng)邊

9、梁和拉板等）。 </p><p>　　2 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性 </p><p>　　結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的控制，避免建筑在地震時(shí)發(fā)生傾覆。一般高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)僅在豎向重力荷載作用下產(chǎn)生整體失穩(wěn)的可能性很?。划?dāng)高層、超高層建筑高寬比較大，水平風(fēng)荷載、地震作用較大，地基剛度較弱時(shí)，結(jié)構(gòu)整體傾覆驗(yàn)算很重要，它直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全度的控制。當(dāng)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算符合高規(guī)

10、5.4.4條，或通過考慮P-Δ效應(yīng)提高了結(jié)構(gòu)的承載能力后，對(duì)于不滿足整體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，必須調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度（只有高寬比很大的結(jié)構(gòu)才有可能發(fā)生）。 </p><p>　　對(duì)于高寬比較大的高層、超限高層建筑，要驗(yàn)算大震下的穩(wěn)定性（抗倒塌能力，彈塑性變形分析驗(yàn)算）：薄弱部位彈塑性層間位移角應(yīng)滿足規(guī)范相應(yīng)限制并偏嚴(yán)控制；要求抗傾覆的穩(wěn)定力矩不小于傾覆力矩設(shè)計(jì)值；要求多遇地震作用下基礎(chǔ)底面無零應(yīng)力區(qū)，罕遇地震

11、作用下基礎(chǔ)底面底面零應(yīng)力區(qū)不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%~25%（不同地區(qū)，抗震設(shè)防烈度不同限值有差異）?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010),對(duì)高層建筑尤其是高寬比大于4的高層建筑的整體抗傾覆提出了更嚴(yán)格的要求。 </p><p><b>　　3 水平作用 </b></p><p>　　任何建筑結(jié)構(gòu)都要

12、抵抗豎向荷載和水平荷載，在低層和多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往是以重力為代表的豎向荷載起控制作用，對(duì)于高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要作用，但起控制作用的是水平荷載。之所以如此，其根本原因在于隨著高度的增加，水平力（風(fēng)荷載或水平地震作用）產(chǎn)生的內(nèi)力和位移迅速增大。例如把房屋結(jié)構(gòu)看成一根最簡(jiǎn)單的懸臂桿件，在豎向荷載作用下，產(chǎn)生的軸力僅與高度成線性比例，但在水平荷載作用下，其彎矩與高度的二次方成正比；側(cè)向頂點(diǎn)位移與高度的四次方成正比。

13、因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗側(cè)力的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，水平荷載是決定因素。對(duì)于一定高度的建筑物，作為其水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用將隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有顯著的變化。 </p><p><b>　　4 軸向變形 </b></p><p>　　任何建筑結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的位移都包括彎曲、軸向變形和剪切變形三部分。在低層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常只考慮彎曲變形，而忽略鈾向變形和剪切

14、變形的影響，因?yàn)橐话憬Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的軸力和剪力產(chǎn)生影響較小，可不考慮。而高層建筑由于層數(shù)多、軸力大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會(huì)對(duì)高層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生很大影響。此外，高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻的截面也往往很大。因此，剪切變形的影響不可忽略。采用框架體系和框架-剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸向壓力往往大于邊柱的鈾向壓力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時(shí)，此種差異軸向變形將會(huì)達(dá)到較大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁的中間

15、支座產(chǎn)生沉陷，從而使連續(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。故在高層建筑設(shè)計(jì)中，軸向變形不能不考慮。在高層建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算中，根據(jù)所選計(jì)算手段，所計(jì)算的構(gòu)件變形因素是有區(qū)別的。對(duì)于簡(jiǎn)化助手計(jì)算方法，一般只計(jì)算最基本的變形。采用計(jì)算機(jī)方法計(jì)算時(shí)，計(jì)算的變形因素要多一些。當(dāng)用空間協(xié)同工作方法時(shí)，考慮了梁的彎曲、剪切變形，考慮了柱、剪力墻的彎曲、剪切和軸向變形；當(dāng)用完全的三維空間分析方法時(shí)，除考慮了前</p&

16、gt;<p>　　5 側(cè)移成為控制指標(biāo) </p><p>　　與低層或多層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向變形迅速增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移與高度呈現(xiàn)四次方關(guān)系上升。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力，還要求具有足夠的抵抗側(cè)向力的剛度，以保證結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下所產(chǎn)生的側(cè)移限制在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。側(cè)移是高層建筑的要害問題，之所以要控制結(jié)

17、構(gòu)側(cè)移，其主要原因有： </p><p>　　5.1 側(cè)移過大，使建筑物內(nèi)的人在心理上產(chǎn)生不適應(yīng)，控制結(jié)構(gòu)側(cè)移是保證建筑物正常使用的需要。 </p><p>　　5.2 側(cè)移過大，使建筑物內(nèi)的填充墻、建筑裝飾和電梯軌道等服務(wù)設(shè)施產(chǎn)生裂縫、變形，甚至損壞。 </p><p>　　5.3側(cè)移過大，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂或損壞，進(jìn)而危及結(jié)構(gòu)正常使用和耐久性，實(shí)際上控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫

18、就是限制結(jié)構(gòu)側(cè)移。 </p><p>　　5.4地震對(duì)建筑物的破壞程度，主要取決于結(jié)構(gòu)側(cè)移大小，如果結(jié)構(gòu)變形能力不足以抵御地震輸入能量對(duì)結(jié)構(gòu)變形的要求，結(jié)構(gòu)則會(huì)發(fā)生倒塌。 </p><p><b>　　6 抗震設(shè)計(jì) </b></p><p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載以外，還必須使建筑結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能

19、，做到小震不壞、中震可修、大震不倒；設(shè)計(jì)盡可能設(shè)置多道抗震防線，采用具有聯(lián)肢墻、壁式框架的剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等多重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。高層建筑避免采用純框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)抗震能力是有承載力和變形能力兩者共同決定的，建筑結(jié)構(gòu)剛度、承載力和延性設(shè)計(jì)相匹配，結(jié)構(gòu)的抗震能力好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系才是最好的。計(jì)算結(jié)構(gòu)的延性是困難的，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的延性是通過一系列的構(gòu)造措施實(shí)現(xiàn)的。在高層建筑設(shè)計(jì)中，為使結(jié)構(gòu)具有良好的延性，構(gòu)

20、件要有足夠截面尺寸，柱的軸壓比、梁和剪力墻的剪壓比、構(gòu)件的配筋率都要適宜，應(yīng)遵照規(guī)范、規(guī)程的要求。例如延性剪力墻設(shè)計(jì)原則：“強(qiáng)墻弱梁、強(qiáng)剪弱彎、限制墻肢的軸壓比和墻肢設(shè)置邊緣構(gòu)件、加強(qiáng)重點(diǎn)（薄弱）部位、連梁特殊措施”等。 </p><p><b>　　7 結(jié)束語 </b></p><p>　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷增大，人口不斷增加

21、，使得城市住房建設(shè)用地高度緊張，以及人民對(duì)生活質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)的追求，新建高層建筑是城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。這就必然給結(jié)構(gòu)工程們對(duì)高層建筑的設(shè)計(jì)也帶來了許多新的課題和更高的挑戰(zhàn)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010 </p><p>　　

22、[2]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2010）中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010 </p><p>　　[3]夏卓文．高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與剪力墻設(shè)計(jì)[J]．住宅科技．，2009，（9）. </p><p>　　[4]王濤．高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[D]．山東大學(xué)碩士論文，2008，（5）. </p><p>　　[5]賀文清，曹素，環(huán)宋捷．大開間大跨度多高層