試論高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、<p>　　試論高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　【摘要】鋼筋混凝土高層結(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，任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設(shè)計過程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計結(jié)果存在不安全因素。本文介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，探討了結(jié)構(gòu)選型、計算與分析，分享了設(shè)計方法的創(chuàng)新。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】高層建筑 混凝土 結(jié)構(gòu)設(shè)計 </p>

2、<p>　　中圖分類號：TU97 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　一、前言 </b></p><p>　　在城市中，如果我們建造更多的高層建筑就可以獲得最大化的建筑面積，而這樣我們就可以解決許多城市的用地緊張、地價高漲等等的問題，但是如果高層的建筑太多、太密集也會帶來熱島效應(yīng)，而玻璃幕墻過多的話還有可能會造成光污染的現(xiàn)象。在很多情況

3、下，多建造一些高層建筑也會比建造多層建筑更加能夠提供更多土地，如果將這些空閑的土地用作綠化或者休息場地，可以更加有利于美化我們的環(huán)境。許多高層建筑中的交通大多都是由電梯來完成的，從建筑的防火角度來看，一般高層建筑的防火要求都要高于中低層的建筑，這樣也會增加建筑的運行成本等等。 </p><p>　　二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點 </p><p><b>　　1、側(cè)向力 </b&

4、gt;</p><p>　　風(fēng)或水平地震作用成為影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形及建筑物土建造價的主要因素。高層建筑和低層建筑一樣，承受自重、活載、雪載等垂直荷載和風(fēng)、地震等水平力。在低層結(jié)構(gòu)中，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，可以忽略不計；在多層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的效應(yīng)(內(nèi)力和位移)逐漸增大；在高層建筑中，水平荷載和地震力將成為主要的控制因素。 </p><p>　　2、結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜剛度 </

5、p><p>　　隨著高度的增加，高層建筑的側(cè)向位移迅速增大。因此設(shè)計高層建筑時不僅要求結(jié)構(gòu)有足夠的強度，而且要求結(jié)構(gòu)有適宜的剛度，使結(jié)構(gòu)有合理的自振頻率等動力特性，并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內(nèi)。 </p><p>　　3、結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的延性 </p><p>　　相對于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。建筑結(jié)構(gòu)的耐震主要取決于結(jié)

6、構(gòu)的承載力和變形能力兩個因素。為了使結(jié)構(gòu)在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免高層建筑在大震下倒塌，必須在滿足必要強度的前提下，通過優(yōu)良的概念設(shè)計和合理的構(gòu)造措施，來提高整個結(jié)構(gòu)、特別是薄弱層(部位)的變形能力，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)綜合考慮這些因素，合理設(shè)計，使結(jié)構(gòu)具有足夠的強度、適宜的剛度、良好的延性。 </p><p><b>　　三、結(jié)構(gòu)選型 </b>

7、</p><p>　　對于高層結(jié)構(gòu)而言，在工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)選型階段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該注意以下幾點： </p><p>　　1、結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題 </p><p>　　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)范采用強制性條文明確 </p><p>　　規(guī)

8、定“建筑不應(yīng)采用嚴重不規(guī)則的設(shè)計方案。”因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作的被動。 </p><p>　　2、結(jié)構(gòu)的超高問題 </p><p>　　在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴格的限制，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)的該項控制因素嚴格注意，一

9、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，必須重新進行設(shè)計或需要開專家會議進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。 </p><p>　　3、嵌固端的設(shè)置問題 </p><p>　　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

10、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。 </p><p>　　4、短肢剪力墻的設(shè)置問題 </p&g

11、t;<p>　　在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為5-8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制，因此，在高層建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設(shè)計工作增加不必要的麻煩。 </p><p>　　四、結(jié)構(gòu)計算與分析 </p><p>　　1、結(jié)構(gòu)整體計算的軟件選擇 </p><

12、;p>　　由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異，因此導(dǎo)致了各軟件的計算結(jié)果有或大或小的不同。所以，在進行工程整體結(jié)構(gòu)計算和分析時必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件。對計算結(jié)果的合理性、可靠性進行判斷是十分必要的，是結(jié)構(gòu)工程師最主要的任務(wù)之一， 這項工作要以結(jié)構(gòu)工程師的力學(xué)概念和豐富的工程經(jīng)驗為基礎(chǔ)。 </p><p>　　2、結(jié)構(gòu)整體計算需控制的幾個參數(shù) </p>

13、<p>　?。?）剪重比：控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性。若過小，說明底部剪力過小，這時應(yīng)注意結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是否滿足要求。若過大，應(yīng)檢查輸入信息是否有誤或剪力墻過多結(jié)構(gòu)太剛。 </p><p>　?。?） 剛度比：控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，避免產(chǎn)生剛度突變。 </p><p>　?。?）位移比：控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。它反映的是質(zhì)心與剛心的偏離程度。平面布置宜規(guī)則

14、，對稱，使質(zhì)心和剛心盡量重合。 </p><p>　?。?）周期比：控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級高度高層建筑不應(yīng)大于0.85。反映的是抗扭剛度與抗側(cè)剛度之間的關(guān)系。 </p><p>　?。?）層間受剪承載力比：控制豎向不規(guī)則。 </p><p>　　3、是否需要地震力放大，考慮建筑隔

15、墻等對自振周期的影響 </p><p>　　規(guī)范中根據(jù)大量工程的實測周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計算自振周期折減系數(shù)，已列為強制性條文，需特別注意。 </p><p>　　4、多塔結(jié)構(gòu)和分縫結(jié)構(gòu)的計算分析 </p><p>　　一段時間以來，大底盤，多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn)，而在計算分析該類型高層建筑時，是將結(jié)構(gòu)作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是

16、將結(jié)構(gòu)人為地分開進行計算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問題。如果分開計算，下部裙房及基礎(chǔ)計算誤差較大，且各塔之間相互影響無法考慮。應(yīng)先進行整體計算，但計算周期比時應(yīng)將各塔分開。 </p><p>　　5、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算與設(shè)計 </p><p>　　在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對這部分內(nèi)容，尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進行設(shè)計時，由于高

17、層建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大。因此，必須嚴格按照規(guī)范中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算處理措施進行設(shè)計。 </p><p>　　五、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的創(chuàng)新 </p><p>　　目前，高層建筑結(jié)構(gòu)的分析計算已不再使用傳統(tǒng)的手工計算，取而代之的是采用計算程序計算。一般說來都采用三維結(jié)構(gòu)分析計算程序。有些程序可考慮樓板變形進行結(jié)構(gòu)分析計算，能更真實反映復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力特點，從而可以進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算

18、。彈性動力時程分析的程序已相當(dāng)成熟，一般以層模型進行動力時程分析，可輸入各種類型的地震波，求得結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力。彈塑性分析計算近幾年已開始進行，已初步開發(fā)出一些可應(yīng)用于工程設(shè)計的程序，包括彈塑性靜力分析、層模型動力分析、桿模型 面結(jié)構(gòu)動力分析等程序。從1974年開始對剪力墻結(jié)構(gòu)進行了大量的試驗研究，逐步形成了高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系；為適應(yīng)高層住宅底部設(shè)置商業(yè)服務(wù)設(shè)施等要求，從1980年開始進行了底層大空間，上層為大開間剪力墻結(jié)構(gòu)體系的研究。

19、近年來對復(fù)雜體型的高層建筑如帶有轉(zhuǎn)換層、剛性層的結(jié)構(gòu)錯層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)等進行了一批模型振動臺試驗。為了解鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)的抗震性能，進行了帶有轉(zhuǎn)換層、剛性層的鋼筋混凝土內(nèi)筒、周邊為鋼框架的模型試驗。另外對復(fù)雜體型的高層建筑進行了風(fēng)洞試驗。通過試驗研究與分析，提出了相應(yīng)的設(shè)計建議，并做為規(guī)范條文修訂的依據(jù)。 </p><p><b>　　結(jié)論 </b></p><p>

20、;　　隨著高層建筑進一步的發(fā)展，滿足高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜且多元化。為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力，追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型將是土木工程師們的目標和方向。 </p><p><b>　　【參考文獻】 </b></p><p>　　[1] 蘇英，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾個問題[J]．科技信息(學(xué)術(shù)研究)，2007(16)． </p&g