高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念

1、<p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念</p><p>　　【摘 要】隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑高度的不斷增加，風(fēng)格的變化多樣，給高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的課題和挑戰(zhàn)。本文結(jié)合論述高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很多基本概念，掌握理解這些概念對(duì)從事高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員十分有益。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題分析 </p><p>　　一、

2、高層建筑各專業(yè)設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào) </p><p>　　“建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備”是互相制約的三個(gè)有機(jī)組成部分，高層建筑設(shè)計(jì)既是各個(gè)專業(yè)自我完善的過(guò)程，也是各個(gè)專業(yè)之間互相協(xié)調(diào)的過(guò)程。提高高層建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量，不但依賴于各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)水平的提高，而且在很大程度上取決于“建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備”的協(xié)調(diào)。我們認(rèn)為在方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)階段一般應(yīng)以建筑專業(yè)牽頭進(jìn)行各專業(yè)協(xié)調(diào)，在施工圖設(shè)計(jì)階段則應(yīng)以結(jié)構(gòu)專業(yè)為主進(jìn)行各專業(yè)協(xié)調(diào)。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了采

3、用合理的結(jié)構(gòu)體系，先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)外，大量的工作是搞好與其它專業(yè)的協(xié)調(diào)，以便保證結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　二、高層結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)特點(diǎn) </p><p>　　（1）水平荷載成為決定因素。一方面，因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房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)件中引起的軸力，是與樓房高度的二次方成正比；另一

4、方面，對(duì)某一定高度的樓房來(lái)講，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)值則隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。 </p><p>　　（2）軸向變形不容忽視。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)彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負(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

5、外，會(huì)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)得出偏于不安全的結(jié)果。 </p><p>　?。?）側(cè)移成為控制指標(biāo)。與較低的樓房不同結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(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><p>　　三、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系分析 </p><p>　　

6、（1）框架一剪力墻體系。當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時(shí)，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來(lái)代替部分框架，因而便形成了框架一剪力墻體系。在承受水平力時(shí)，框架和剪力墻通過(guò)有足夠剛度的樓板與連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在該體系中，框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力?？蚣芤患袅w系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時(shí)框架承受的水平剪力顯著降低，且內(nèi)力沿豎向的分布趨于

7、均勻，所以，框架一剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。 </p><p>　?。?）剪力墻體系。當(dāng)受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時(shí)，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu)，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強(qiáng)度和剛度均比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強(qiáng)，是一種良好的結(jié)構(gòu)體系，能建高度大于框架或框架一剪力墻體系。 </p>

8、;<p>　?。?）筒體體系。凡采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)體體系，包括單簡(jiǎn)體、簡(jiǎn)體一框架、筒中筒、多束筒等多種形式。筒體是一種空間受力構(gòu)件，分實(shí)腹筒和空腹筒兩種類型。實(shí)腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開(kāi)孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。簡(jiǎn)體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層。 </p><

9、p>　　四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題分析 </p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)選型①結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問(wèn)題。新規(guī)范對(duì)這方面的內(nèi)容有了較大的變動(dòng)，增加了相當(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(qiáng)制性條文明確規(guī)定：“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。”因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件時(shí)必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。②高度問(wèn)題。按我國(guó)現(xiàn)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)

10、技術(shù)規(guī)程》（JGJ3—2002）規(guī)定，綜合考慮經(jīng)濟(jì)與適用的原則，給出了各種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)體系的最大適用高度。對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度均有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問(wèn)題，除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為A 級(jí)高度的建筑外，增加了B 級(jí)高度的建筑。因?yàn)樵诘卣鹆ψ饔孟?，超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發(fā)生質(zhì)變，即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍，如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取

11、等。③嵌固端的設(shè)置問(wèn)題。由于高層建筑一般都帶有2 層或2 層以上的地下室和人防設(shè)施，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板或人防頂板等位置。在這個(gè)問(wèn)題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由于嵌固端的設(shè)置帶來(lái)的一系列需要注意的問(wèn)題，</p><p>　　（2）地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一直是結(jié)構(gòu)工程師比較重視的方面，這不僅僅是因?yàn)樵撾A段設(shè)計(jì)過(guò)程的好與壞將直接影響后期設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行，同時(shí)也因?yàn)榈鼗A(chǔ)是整個(gè)工程造價(jià)的決定性因素。在

12、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要注意地方性規(guī)范的重要性。由于我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，僅依據(jù)GB50007--2002{地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，無(wú)法對(duì)全國(guó)各地的地基基礎(chǔ)均進(jìn)行詳細(xì)的描述和規(guī)定，而地方性的“地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范”則能夠?qū)⒏鞯氐牡鼗A(chǔ)類型和設(shè)計(jì)處理方法等一些成熟的經(jīng)驗(yàn)描述和規(guī)定得更為詳細(xì)和準(zhǔn)確，所以，在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要對(duì)地方規(guī)范進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)，以避免對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或后期設(shè)計(jì)工作造成較大的影響。 </p><p&

13、gt;　　（3）結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析。在這一階段，如何準(zhǔn)確、高效地對(duì)工程進(jìn)行內(nèi)力分析并按照規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理，是決定工程設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵。由于新規(guī)范中對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算和分析部分相當(dāng)多的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)，因此對(duì)這一階段比較常見(jiàn)的問(wèn)題應(yīng)該有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)①結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的軟件選擇。在進(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析時(shí)，必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)選擇合理的計(jì)算軟件，并從不同軟件相差較大的計(jì)算結(jié)果中，判斷哪個(gè)是合理的、哪個(gè)是可 </p&

14、gt;<p>　　以作為參考的，哪個(gè)是意義不大的，這將是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)工作中首要的工作如果選擇了不合適的計(jì)算軟件，不但會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)問(wèn)和精力，而且有可能使結(jié)構(gòu)存在不安全隱患。②是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對(duì)自振周期的影響。該部分內(nèi)容實(shí)際上在新舊規(guī)范中均已涉及，只是新規(guī)范中根據(jù)大量工程的實(shí)測(cè)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(jì)算自振周期折減系數(shù)。③振型數(shù)目是否足夠。在新規(guī)范中增加了一個(gè)振型參與系數(shù)的概念，并明確

15、提出了該參數(shù)的限值。由于在舊規(guī)范設(shè)計(jì)中并未提出振型參與系數(shù)的概念，或即使有該概念，該參數(shù)的限值也未必一定符合新規(guī)范的要求，因此，在計(jì)算分析階段必須對(duì)計(jì)算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行判斷，并決定是否需要調(diào)整振型數(shù)目的取值。④多塔之間各地震周期的相互干擾，是否需要分開(kāi)計(jì)算。一段時(shí)間以來(lái)，大底盤、多塔樓的高層建筑類型大量出現(xiàn)，而在計(jì)算分析該類型高層建筑時(shí)，是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類型進(jìn)行計(jì)算還是將結(jié)構(gòu)人為地分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問(wèn)

16、題。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求，但對(duì)某一座塔樓的地震力計(jì)算誤差仍然較大的情況，從而給結(jié)構(gòu)留下不安全隱患。 </p><p><b>　　五、結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)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(jì)的基本原理是相同的。但隨著高度的增加，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素：一