淺議高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中問(wèn)題

1、<p>　　淺議高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中問(wèn)題</p><p>　　摘要：隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市人口劇增，地價(jià)暴漲，也迫使建筑向高空發(fā)展。本文在充分了解高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題進(jìn)行了探討。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 問(wèn)題 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p>

2、;<p>　　一、 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn) </p><p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在各專(zhuān)業(yè)中占有更重要的位 </p><p>　　置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機(jī)電管道的設(shè)置、施工技術(shù)的要求、施工工期長(zhǎng)短和投資造價(jià)的高低等。其主要特點(diǎn)有： </p><p>　　1、水平力是設(shè)計(jì)

3、主要因素 </p><p>　　在低層和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在高層 </p><p>　　建筑中，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。

4、另一方面，對(duì)一定高度建筑來(lái)說(shuō)，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)值是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力性的不同而有較大的變化。 </p><p>　　2、側(cè)移成為控制指標(biāo) </p><p>　　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(jì)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)。 </p>&l

5、t;p>　　3、抗震設(shè)計(jì)要求更高 </p><p>　　有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。 </p><p>　　4、軸向變形不容忽視 </p><p>　　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(huì)對(duì)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)

6、彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整；另外對(duì)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(huì)得出偏于不安壘的結(jié)果。 </p><p>　　5、結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo) </p><p>　　相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，

7、避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。 </p><p>　　二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題分析 </p><p>　　1、高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能 </p><p>　　對(duì)于一個(gè)建筑物的最初的方案設(shè)計(jì),建筑師考慮更多的是它的空間組成特點(diǎn),而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。而建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的

8、承載力之間的關(guān)系,所以,在建筑設(shè)計(jì)的方案階段,就必須對(duì)主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。對(duì)于低層、多層和高層建筑,豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)基本原理都是相同的,但是,隨著高度的不斷增加,豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素,其原因有兩個(gè):其一,較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒;其二,側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。與豎向荷載相比,側(cè)向荷載對(duì)建筑物的效應(yīng)不是線性增加的,而隨建筑高度的增高迅速增大。例如,在所有條件相

9、同時(shí),在風(fēng)荷載作用下,建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比,而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比,地震的作用效應(yīng)更加明顯。在高層建筑中,問(wèn)題不僅僅是抗剪,而更重要的是整體抗彎和抵抗變形,可見(jiàn),高層建筑的結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異。 </p><p>　　2、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題 </p><p>　　建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心,在結(jié)構(gòu)設(shè)

10、計(jì)時(shí)要求建筑三心盡可能匯于一點(diǎn),即三心合一。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中未做到三心合一,在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。在水平荷載作用下,高層建筑扭轉(zhuǎn)作用的大小取決于質(zhì)量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻,減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),應(yīng)使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡(jiǎn)單平面形式。在某些情況下,由于城市規(guī)劃對(duì)街道景觀的要求以及建筑場(chǎng)地的限制,高層建筑不可能全部采用簡(jiǎn)單平面形式,當(dāng)需要采用不規(guī)則L形、T形、十字形

11、等比較復(fù)雜的平面形式時(shí),應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi),同時(shí),在結(jié)構(gòu)平面布置時(shí),應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)處于對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。 </p><p>　　3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的側(cè)移和振動(dòng)周期 </p><p>　　建筑結(jié)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期問(wèn)題包含兩方面:合理控制結(jié)構(gòu)的自振周期;控制結(jié)構(gòu)的自振周期使其盡可能錯(cuò)開(kāi)場(chǎng)地的特征周期。 </p><p>　　(1)結(jié)構(gòu)自

12、振周期 </p><p>　　高層建筑的自振周期(T1)宜在下列范圍內(nèi): </p><p>　　框架結(jié)構(gòu):T1=(0.1～0.15)N </p><p>　　框—剪、框筒結(jié)構(gòu):T1=(0.08～0.12)N </p><p>　　剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu):T1=(0.04～0.10)N </p><p><b>　

13、　N為結(jié)構(gòu)層數(shù)。 </b></p><p>　　結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi): </p><p>　　第二周期:T2=(1/3～1/5)T1;第三周期:T3=(1/5～1/7)T1。 </p><p><b>　　(2)共振問(wèn)題 </b></p><p>　　當(dāng)建筑場(chǎng)地發(fā)生地震時(shí),如果建筑物的自振周

14、期和場(chǎng)地的特征周期接近,建筑物和場(chǎng)地就會(huì)發(fā)生共振。因此在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)針對(duì)預(yù)估的建筑場(chǎng)地特征周期,通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù),選擇合適的結(jié)構(gòu)類(lèi)別和結(jié)構(gòu)體系,擴(kuò)大建筑物的自振周期與建筑場(chǎng)地特征周期的差別,避免共振的發(fā)生。 </p><p>　　(3)水平位移特征 </p><p>　　水平位移滿足高層規(guī)程的要求,并不能說(shuō)明該結(jié)構(gòu)是合理的設(shè)計(jì)。同時(shí)還需要考慮周期及地震力的大小等綜合因素。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗

15、震設(shè)計(jì)時(shí),地震力的大小與結(jié)構(gòu)剛度直接相關(guān),當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度小,結(jié)構(gòu)并不合理時(shí),由于地震力小則結(jié)構(gòu)位移也小,位移在規(guī)范允許范圍內(nèi),此時(shí)并不能認(rèn)為該結(jié)構(gòu)合理。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)周期長(zhǎng)、地震力小并不安全;其次,位移曲線應(yīng)連續(xù)變化,除沿豎向發(fā)生剛度突變外,不應(yīng)有明顯的拐點(diǎn)或折點(diǎn)。一般情況下剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎曲型;框架結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為剪切型;框—剪結(jié)構(gòu)和框—筒結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎剪型。 </p><p>　　4、位移限值、剪重比

16、及單位面積重度 </p><p><b>　　(1)位移限值 </b></p><p>　　在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的輸出結(jié)果中,結(jié)構(gòu)的側(cè)移(包括層間位移和頂點(diǎn)位移)是一個(gè)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn),其數(shù)值大小從一個(gè)側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)的整體剛度是否合適,過(guò)大或過(guò)小都說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度過(guò)小或過(guò)大(或者體現(xiàn)結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的剛度是否均衡),以致要引起設(shè)計(jì)者對(duì)其中的結(jié)構(gòu)體系選擇、結(jié)構(gòu)的豎向及平面布置合理性

17、的再思考?，F(xiàn)行規(guī)范中將頂點(diǎn)位移與層間位移并重對(duì)待,經(jīng)實(shí)踐探索并參照國(guó)外經(jīng)驗(yàn),得出的結(jié)論為:高層建筑尤其是超高層建筑,頂點(diǎn)位移限值決定的不僅是其數(shù)值大小而且還有其振動(dòng)頻率,人的舒適感覺(jué)與振動(dòng)頻率有關(guān)而與振動(dòng)幅度(絕對(duì)位移)關(guān)系不大,即擺動(dòng)頻率不太高時(shí)就可滿足人們的舒適度;其次,防止結(jié)構(gòu)由于變形過(guò)大而可能遭受損壞或破壞的控制因素是層間相對(duì)位移,而其限值在現(xiàn)行規(guī)范中似偏嚴(yán),可予放松。同一結(jié)構(gòu)用不同的計(jì)算程序計(jì)算,如果其層間位移數(shù)值差異很大,則

18、有可能是其“層間位移”內(nèi)涵不同所致,有的是指樓層形心位移,有的則專(zhuān)指考慮樓層轉(zhuǎn)動(dòng)后的最大角點(diǎn)位移,后者通常比前者要大,形心位移對(duì)規(guī)則建筑有意義,而角點(diǎn)位移則更能反映結(jié)構(gòu)樓層的真實(shí)位移,因此角點(diǎn)位移是結(jié)構(gòu)工程師必須關(guān)注的一個(gè)數(shù)值。 </p><p>　　(2)剪重比及單位面積重度 </p><p>　　結(jié)構(gòu)的剪重比(也即水平地震剪力系數(shù))K=VEK/G是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下反應(yīng)大小的一個(gè)指標(biāo)

19、,其大小主要與結(jié)構(gòu)地震設(shè)防烈度有關(guān),其次與結(jié)構(gòu)體型有關(guān),當(dāng)設(shè)防烈度為7、8、9度時(shí),剪重比分別為0.012,0.024,0.040;扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯或基本周期<3.5s的結(jié)構(gòu)剪重比則分別≮0.016,0.032,0.064。一般內(nèi)部隔墻多的建筑(比如住宅)大于間隔墻少的建筑(比如敝開(kāi)式辦公室);層數(shù)多的建筑略大于層數(shù)少的同性質(zhì)建筑;設(shè)防烈度高的建筑大于設(shè)防烈度低的同性質(zhì)同規(guī)模建筑;剪力墻多的建筑大于剪力墻少甚至僅為框架的建筑。一般高層