高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)選型初探

1、<p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)選型初探</p><p>　　摘要：隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市高層建筑建設(shè)發(fā)展迅速，但從設(shè)計質(zhì)量來說，并不是很理想。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師不能僅僅重視結(jié)構(gòu)計算的準(zhǔn)確性而忽略結(jié)構(gòu)方案的具體實際情況，而應(yīng)根據(jù)實際做出合理的結(jié)構(gòu)方案選擇。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)；設(shè)計;選型 </p><p>

2、;　　Abstract: With the rapid development of China's national economy, city high-rise building construction is developing rapidly, but the quality of design, and is not very ideal. In the tall building structural desig

3、n, structural engineers not only pay attention to the accuracy of structural calculation and ignore the actual situation of the construction scheme, and should be based on the actual make rational structure scheme select

4、ion. </p><p>　　Key words: high-rise building; structure design; selection; </p><p>　　中圖分類號：F407.9 文獻標(biāo)識碼A 文章編號 </p><p>　　高層建筑目前在我們的城市建設(shè)當(dāng)中所占的比例越來越大，而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的變化也越來越多，很多新興的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以迅猛的速度

5、呈現(xiàn)在我們的城市建設(shè)中。面對如此形勢，應(yīng)該把高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計放在首位加以研究。對于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計, 首先擺在結(jié)構(gòu)工程師面前的是結(jié)構(gòu)選型的問題。高層建筑結(jié)構(gòu)的選型通常要遵循一定的原則, 它不僅考慮到建筑物的適用性、經(jīng)濟性、抗震性能,而且要考慮施工安裝的影響。 </p><p>　　1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點 </p><p>　　1.1 水平力是設(shè)計主要因素 </p>&l

6、t;p>　　設(shè)計在多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要考慮結(jié)構(gòu)豎向荷載。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為結(jié)構(gòu)自重和樓面使用荷載在豎向構(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，是與建筑結(jié)構(gòu)高度的兩次方成正比。另一方面，對于一定高度建筑來說，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)值是隨著結(jié)

7、構(gòu)動力特性的不同而有較大的變化。 </p><p>　　1.2 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)移已成為高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大，與建筑高度H的4次方成正比(△= qH4/8EI)。另外，高層建筑隨著高度的增加、新的建筑形式和結(jié)構(gòu)體系的出現(xiàn)、側(cè)向位移的迅速增大，在設(shè)計中不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，還要

8、求具有足夠的抗推剛度。 </p><p>　　1.3 抗震設(shè)計要求更高 </p><p>　　有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、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、中震可修、大震不倒。 </p><p>　　1.4減輕高層建筑自重比多層建筑更為重要 </p><p>　　高層建筑減輕自重比多層建筑

9、更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎(chǔ)造價和處理措施，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟效益。地震效應(yīng)與建筑的重量成正比，減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了，作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大，地震作用傾覆力矩大，對豎向構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加軸力，從而造成附加彎矩更大。 </p><p>　　1.5軸向變形不容忽視 </p>

10、<p>　　采用框架體系和框架——剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)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，此種軸向變形的差異將會達到較大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁中間支座沉陷，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。 </p><p>　　2高層建筑結(jié)構(gòu)選型與建筑設(shè)計 </p><p>　　2.1在

11、結(jié)構(gòu)的功能要求被確定以后，即可根據(jù)功能要求進行結(jié)構(gòu)的選型。例如對于高層建筑，在選型上可以考慮框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)以及筒中筒結(jié)構(gòu)等，在用材上可考慮鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)等。對于大多數(shù)建筑物，工程造價中約有50%～70%用于結(jié)構(gòu)工程，而且結(jié)構(gòu)工程的施工工期也約占建筑物施工總工期的50%～70%。因此搞好結(jié)構(gòu)工程對于建筑工程建設(shè)的質(zhì)量控制、投資控制和進度控制有十分重要的作用。 </p><

12、;p>　　2.2搞好結(jié)構(gòu)工程的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)選型，如果選型不當(dāng)，即使結(jié)構(gòu)計算很精確，也有可能給結(jié)構(gòu)的安全使用及耐久性帶來無法彌補的缺陷，所以結(jié)構(gòu)選型對于結(jié)構(gòu)的全壽命優(yōu)化有著舉足輕重的作用。在非地震區(qū)的高層建筑，水平荷載以風(fēng)荷載為主。所以非地震區(qū)高層建筑選型宜選用有利于抗風(fēng)作用的建筑體型，也就是宜選用風(fēng)壓體型系數(shù)較小的建筑體型，比如圓形、橢圓形等。流線型的建筑體型以及由下往上逐漸變小的截錐形體型的體型系數(shù)相對較小，有利于抗風(fēng)。在進行結(jié)

13、構(gòu)平面布置時，宜使用結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度分布盡量均勻?qū)ΨQ，以減輕風(fēng)荷載作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，并應(yīng)限制結(jié)構(gòu)高寬比，防止傾覆和失穩(wěn)。地震區(qū)高層建筑的體系選型，實際上屬于抗震概念設(shè)計范疇，它是在總結(jié)震害規(guī)律及工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，以宏觀概念為指導(dǎo)，正確地解決高層建筑的總體方案，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，以達到合理抗震。通常應(yīng)選擇對抗震有利的地段，選用整體性較好的基礎(chǔ)，立體結(jié)構(gòu)應(yīng)具有合理的地震作用傳遞途徑，擁有多道抗震防線，具有必要的剛度和

14、強度，具有合理的剛度和強度分布，避免豎面?zhèn)纫苿偠鹊耐蛔?。另外亦宜選擇風(fēng)壓體型系數(shù)較小的形狀并限制高寬比。 </p><p>　　2.3對于低層、多層或高層建筑，其豎向和水平結(jié)構(gòu)體系設(shè)計的基本原理是相同的。但隨著高度的增加，由于以下兩個原因，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計的控制因素：較大的豎向荷載要求有較大的柱、墻和井筒；更重要的是，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多，必須精心設(shè)計。高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)體系從上到下一層層

15、地傳遞累積的重力荷載，因此要求較大的柱或墻截面來承受這些荷載。同時，這些豎向結(jié)構(gòu)體系還必須把風(fēng)荷載或地震作用等側(cè)向荷載傳給基礎(chǔ)。可是，與豎向荷載相比，側(cè)向荷載對建筑物的效應(yīng)不是線性的，而是隨建筑物的增高而迅速增大。例如，在其它條件相同時，在風(fēng)荷載作用下，建筑物基底上的傾覆力矩近似地與建筑物高度的平方成正比，而建筑物頂部的側(cè)向位移與其高度的4次方成正比。地震的效應(yīng)甚至更加顯著。當(dāng)?shù)蛯踊蚨鄬咏ㄖ慕Y(jié)構(gòu)按恒載及活荷載設(shè)計時，柱、墻、樓梯或電梯

16、井就自然能承受大部分水平力，問題主要是抗剪。在“矮”房子的框架中，可以填充一些墻板，甚至全部填滿墻板的辦法很容易獲得適當(dāng)?shù)母郊又涡Ч?，而不必另外再加大原來豎向荷載所需要的柱和梁的尺寸。高層建筑并非如此。這是因為在高層建筑中，主要問題是抗彎和抵抗變形，而不僅僅是抗剪。為了</p><p>　　3高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計要點分析 </p><p>　　3.1水平荷載成結(jié)構(gòu)設(shè)計決定性因素 <

17、;/p><p>　　任何一座高層建筑結(jié)構(gòu)都需要同時承受豎向自重荷載（其他豎向荷載）和側(cè)向風(fēng)壓產(chǎn)生的橫向水平荷載作用，另外還必須具備抵御設(shè)計烈度要求的地震作用的能力。在高層（尤其是超高層）建筑結(jié)構(gòu)中，盡管結(jié)構(gòu)自重等豎向荷載對結(jié)構(gòu)受力具有重要的影響作用，但橫向水平荷載（通常情況下主要包過風(fēng)荷載和地震作用）是結(jié)構(gòu)分析計算時的決定性因素。隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的建筑高度不斷增加，其橫向水平荷載作用在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性將快速上升。一

18、方面，因為結(jié)構(gòu)自重和樓面使用荷載在結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件中將引起一定的作用，而橫向水平荷載對高層結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生的傾覆作用將使得高層建筑結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件中產(chǎn)生較大的拉力或者壓力作用；另一方面，對高層建筑結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)自身自重的豎向荷載作用和地震作用，也會隨結(jié)構(gòu)自身的動力特性而引起大幅增大。 </p><p>　　3.2結(jié)構(gòu)側(cè)移成為控制性因素 </p><p>　　與低層結(jié)構(gòu)不同，高層建筑結(jié)構(gòu)的橫向側(cè)移

19、已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的控制線技術(shù)參數(shù)，并且隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，橫向風(fēng)壓或地震作用下水平荷載引起的高層結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化會快速增加。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，不僅要確保結(jié)構(gòu)各構(gòu)件具有足夠的強度以提抗可能承受的風(fēng)荷載作用或地震作用引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，還要求結(jié)構(gòu)整體具有足夠大的抗側(cè)移剛度，確保結(jié)構(gòu)在橫向力作用下引起的側(cè)向位移值可控制在規(guī)范要求的限度范圍內(nèi)。由此可見，高層建筑的結(jié)構(gòu)安全和使用功能的充分發(fā)揮，與結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)移性能密切相關(guān)。 &l

20、t;/p><p>　　3.3結(jié)構(gòu)延性成為重要考慮因素 </p><p>　　與低層或大跨建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)的柔性則相對明顯，在相同地震作用下的結(jié)構(gòu)變形要嚴(yán)重的多。為避免結(jié)構(gòu)整體倒塌等嚴(yán)重后果，結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)確保高層結(jié)構(gòu)在進入塑性變形受力階段后仍具有相對較強的變形耗能能力。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員通常要在結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部位采取恰當(dāng)?shù)募訌姶胧?，來保證結(jié)構(gòu)整體具有足夠的延性和耗能能力。 </p>

21、<p><b>　　4結(jié)語 </b></p><p>　　現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項集數(shù)學(xué)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及計算機優(yōu)化設(shè)計于一體的綜合性技術(shù)工作，同時也是一項創(chuàng)新性很強的實踐活動。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(biāo)和方向。 </p><p><b>　　參考文獻 </b><