淺析超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

1、<p>　　淺析超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點</p><p>　　摘要：對超高層建筑的特點、超高層建筑結(jié)構(gòu)方案選擇的主導(dǎo)因素、超高層建筑中混合結(jié)構(gòu)類型設(shè)計主要考慮的問題進(jìn)行了探討，以供設(shè)計人員參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：超高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震 </p><p>　　超高層建筑不僅可以為用戶提供舒適的工作和生活環(huán)境，還可以很好地緩解大中城市由于人口增

2、長帶來的用地緊張的局面；同時，超高層建筑可以憑借其高度高、外形美觀的特點而成為該地區(qū)的標(biāo)志性建筑?，F(xiàn)根據(jù)在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實踐，就超高層建筑的特點、結(jié)構(gòu)方案選擇的主導(dǎo)因素以及混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計等方面的內(nèi)容與同行探討。 </p><p>　　1超高層建筑的特點 </p><p>　?。?）超高層建筑由于消防的要求，須設(shè)置避難層，以保證發(fā)生火災(zāi)時人員能夠安全地疏散。由于機(jī)電設(shè)備使用的要求，還

3、需要設(shè)置設(shè)備層。一般超高層建筑是兩者兼顧，設(shè)備層與避難層并做一層。而對于更高的有較多使用功能要求的超高層建筑，除每15層設(shè)一個避難層兼設(shè)備層以外，還需要設(shè)有專門的機(jī)電設(shè)備層。為提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，可以將設(shè)備層或是避難層設(shè)置為結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。 </p><p>　?。?）超高層建筑的平面形狀多為方形或近似方形，其長寬比多小于2。否則，在地震作用時由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大，易受到損壞。 </p><p>　

4、　（3）超高層建筑在基巖埋深較淺時，可選擇天然地基作為基礎(chǔ)持力層，采用筏基或者箱基，若基礎(chǔ)持力層較深時，可采用樁基。較少采用復(fù)合地基。 </p><p>　?。?）房屋高度超過150m的超高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用條件，滿足風(fēng)荷載作用下舒適度要求，結(jié)構(gòu)頂點最大加速度的控制應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。 </p><p>　?。?）超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計一般都需要進(jìn)行抗震設(shè)防專項審查，必要時還須在振動臺

5、上進(jìn)行專門的模型震動試驗，才能確保工程得到合理地設(shè)計和建造。 </p><p>　　2超高層建筑結(jié)構(gòu)方案確定的主導(dǎo)因素 </p><p>　　2.1建筑方案應(yīng)受到結(jié)構(gòu)方案的制約 </p><p>　　超高層建筑方案的設(shè)計與實施應(yīng)有結(jié)構(gòu)專業(yè)在方案階段的密切配合，保證結(jié)構(gòu)方案實施的可行性。另外，在與建筑方案設(shè)計的協(xié)調(diào)配合過程中，結(jié)構(gòu)方案設(shè)計應(yīng)力求做到有所創(chuàng)新，能獲得良好

6、的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 </p><p>　　2.2結(jié)構(gòu)類型的選擇應(yīng)綜合考慮 </p><p>　?。?）應(yīng)考慮擬建場地的巖土工程地質(zhì)條件 </p><p>　　一個擬建在基巖埋藏極淺場地上的超高層建筑，具有采用天然地基的條件。一般這樣的場地其場地類別為Ⅰ類或Ⅱ類，在該地區(qū)抗震設(shè)防烈度較低的情形下，其所采用的結(jié)構(gòu)體系可優(yōu)先采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。而對于在第四紀(jì)土層上的抗

7、震設(shè)防烈度為7度或8度區(qū)的超高層建筑，為降低地震作用，結(jié)構(gòu)選型應(yīng)考慮采用結(jié)構(gòu)自重較輕的混合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)。 </p><p>　?。?）應(yīng)考慮抗震性能目標(biāo) </p><p>　　一般抗震設(shè)計的性能目標(biāo)要求豎向構(gòu)件承載能力較高，達(dá)到中震不屈服；剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)達(dá)到抗剪中震彈性。顯然，在抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，尤其是8度區(qū)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)就很難滿足這一條件。所以，為減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下產(chǎn)生的內(nèi)力

8、，應(yīng)優(yōu)先考慮選用混合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，這樣可以基本由型鋼承擔(dān)地震作用下產(chǎn)生的構(gòu)件剪力和拉力。若是采用全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，豎向構(gòu)件則會因截面計算配筋量太大，導(dǎo)致鋼筋無法放置；單純增大構(gòu)件截面則會使結(jié)構(gòu)自重加大，同時地震作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力也會相應(yīng)增加，截面配筋率仍得不到很好控制。 </p><p>　?。?）應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性 </p><p>　　通常從工程造價上比較，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最低，其次是

9、混合結(jié)構(gòu)，最高則是全鋼結(jié)構(gòu)。所以，超高層結(jié)構(gòu)方案的選用應(yīng)著重考慮工程造價的合理控制。另外，超高層建筑中的豎向承重構(gòu)件由于截面積大而會使建筑有效的使用面積減小。采用型鋼混凝土柱或鋼管混凝土柱作為主要承重構(gòu)件可較大提高主體結(jié)構(gòu)的承載能力，而且使整個結(jié)構(gòu)有較好的延性，柱截面比單純采用鋼筋混凝土柱減小近50%，增大了建筑有效使用面積。即使采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案，為減小柱截面，也可在一定標(biāo)高框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。 </p&

10、gt;<p>　　外框架采用型鋼混凝土柱或圓鋼管混凝土柱，混凝土核心筒構(gòu)件內(nèi)設(shè)型鋼；類似于這種混合結(jié)構(gòu)，正普遍運(yùn)用于超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。此種結(jié)構(gòu)相對全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重要小，尤其具有較大的結(jié)構(gòu)剛度和延性，在高烈度地震作用下易于滿足設(shè)計要求，同時具有良好的消防防火性能，其綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。 </p><p>　　（4）應(yīng)考慮施工的合理性 </p><p>　　眾所周知，房屋高度

11、愈高，施工難度愈大，施工周期也愈長。一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑出地面以上的樓層施工進(jìn)度約每月4層；混合結(jié)構(gòu)（型鋼混凝土框架+鋼筋混凝土核心筒，內(nèi)外框梁為鋼梁）約每月5層～6層；全鋼結(jié)構(gòu)約每月7層。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，應(yīng)根據(jù)不同的房屋高度和業(yè)主對工程施工進(jìn)度的要求，綜合考慮選擇合理的結(jié)構(gòu)類型。 </p><p>　　另外，由于超高層建筑施工周期長，從文明施工和盡量減少對城市環(huán)境不良影響的角度考慮，應(yīng)盡量減少現(xiàn)場混

12、凝土的澆搗量，使部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件能放在工廠加工制作，運(yùn)到現(xiàn)場即可安裝就位。同時在樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮盡量減少模板作業(yè)，采用帶鋼承板的組合樓蓋，這對于保證工程施工質(zhì)量和加快施工進(jìn)度是極其有效的措施。 </p><p>　　3.超高建筑結(jié)構(gòu)類型中的混合結(jié)構(gòu)設(shè)計 </p><p>　　3.1型鋼混凝土和圓鋼管混凝土柱鋼骨含鋼率的控制 </p><p>　　一般設(shè)計中，混合結(jié)構(gòu)構(gòu)

13、件的鋼骨含鋼率中都是由構(gòu)造控制，目前國內(nèi)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范和技術(shù)規(guī)程的規(guī)定各不相同，但有一個共同點是框柱中鋼骨的含鋼率不宜小于4%，這是型鋼混凝土柱與鋼筋混凝土柱區(qū)別的一個指標(biāo)。在混合結(jié)構(gòu)設(shè)計過程當(dāng)中，設(shè)計者可根據(jù)計算結(jié)果來設(shè)計柱縱筋和箍筋，并設(shè)置大于4%的含鋼率的型鋼截面即可。 </p><p>　　3.2鋼筋混凝土核心筒的型鋼柱的設(shè)置 </p><p>　　在地震作用或風(fēng)荷載作用下，鋼筋混

14、凝土核心筒一般要承受85%以上的水平剪力；同時筒體外墻還要承受近樓層面積一半的豎向荷載。所以，在筒體外墻內(nèi)設(shè)置型鋼柱既可保證筒體與型鋼混凝土外框柱有相同的延性，還可以減小兩者之間豎向變形差異。同時，筒體墻內(nèi)設(shè)置型鋼柱，可使剪力墻開裂后承載力下降幅度不大。尤其在抗震設(shè)防的高烈度區(qū)，剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的抗震性能目標(biāo)要按中震彈性或中震不屈服設(shè)計，其地震作用下剪力、彎矩很大，更需在墻體內(nèi)設(shè)置型鋼柱。否則，內(nèi)筒邊緣構(gòu)件配筋面積太大，增加了設(shè)計和施工

15、的難度。通過設(shè)置型鋼柱，可取代邊緣構(gòu)件內(nèi)的縱筋。 </p><p>　　3.3關(guān)于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度問題 </p><p>　　超高層建筑混合結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土核心筒體是整個結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)構(gòu)件，所以筒體的墻厚尤其是外側(cè)墻厚，主要是由抗側(cè)剛度要求決定。因此，外框柱截面的設(shè)計除滿足承載力和軸壓比要求外，其剛度在整體結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計中應(yīng)予以充分考慮。 </p><p>　　在超高層

16、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于框架-核心筒或筒中筒結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土或混合結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度有時不能滿足變形要求，需要利用避難層或設(shè)備層在外框或外框筒周邊設(shè)置環(huán)狀桁架或同時設(shè)置水平伸臂桁架。采用這種桁架式的加強(qiáng)層可使外框架或外框筒與核心筒緊密連接成一體，增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，滿足結(jié)構(gòu)的變形（層間位移）要求。對于外框柱與筒體的剪力墻間設(shè)置的水平伸臂桁架，應(yīng)使設(shè)置水平伸臂桁架處筒體的墻定位與外框柱相對應(yīng)，水平伸臂桁架平面應(yīng)與內(nèi)筒體墻剛心和重心

17、重合，方能形成較好的結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度。 </p><p><b>　　4結(jié)語 </b></p><p>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于建筑的表現(xiàn)，以實現(xiàn)建筑優(yōu)美的外觀和良好的內(nèi)部空間。因此在設(shè)計過程當(dāng)中需要建筑表現(xiàn)和結(jié)構(gòu)方案的完美統(tǒng)一，這就必須依靠建筑師與結(jié)構(gòu)工程師在整個設(shè)計過程中相互密切配合，綜合考慮結(jié)構(gòu)總體系與結(jié)構(gòu)分體系之間的傳力路線關(guān)系，并充分考慮結(jié)構(gòu)材料選用、施工的可行性