摘要：隨著高層建筑的快速發(fā)展，如何做好高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決可能出現(xiàn)的問(wèn)題，是設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)重要課題。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅應(yīng)保證高層建筑具有足夠的安全性，還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性。本文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探討。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑,受力性能,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分析

　　1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義及依據(jù)

　　1.1　概念設(shè)計(jì)的意義高層建筑能做到結(jié)構(gòu)功能與外部條件一致，充分展現(xiàn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)，發(fā)揮結(jié)構(gòu)的功能并取得與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)，更好地解決構(gòu)造處理，用概念設(shè)計(jì)來(lái)判斷計(jì)算設(shè)計(jì)的合理性。

　　1.2　概念設(shè)計(jì)的依據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)總體系與各分體系的工作原理和力學(xué)性質(zhì)，設(shè)計(jì)和構(gòu)造處理原則，計(jì)算程序的力學(xué)模型和功能，吸取或不斷積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

　　2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題

　　2.1高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能

　　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)。建筑物底面對(duì)建筑物空間形式的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，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。

　　2.2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

　　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)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)。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。

　　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)，也可盡量提高結(jié)構(gòu)周邊剛度，削弱結(jié)構(gòu)中間部位的剛度，這樣可以減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。

　　工程實(shí)例：佛山市南海區(qū)丹灶鎮(zhèn)云山峰景項(xiàng)目某住宅

　　該工程為典型的不規(guī)則平面形式，該棟住宅總高55米，設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地土為II類(lèi)，風(fēng)荷載為0.5KN/m2。

　　該工程在方案階段剪力墻布置，中間核心筒剪力墻較多，周邊剛度較弱，第一周期為扭轉(zhuǎn)為主，扭轉(zhuǎn)剛度明顯比較弱。對(duì)該結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行調(diào)整，減少中間核心筒剪力墻，加強(qiáng)周邊梁剛度，計(jì)算結(jié)果顯示，第一周期變?yōu)槠絼?dòng)為主，扭轉(zhuǎn)剛度得到明顯改善。

　　2.3高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的側(cè)移和振動(dòng)周期

　　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。

　　(1)結(jié)構(gòu)自振周期高層建筑的自振周期(T 1)宜在下列范圍內(nèi)：

　　框架結(jié)構(gòu)：T1=(0.1—0.15)N框一剪、框筒結(jié)構(gòu)：T1=(0.08-0.12)N剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)：TI=(0.04—0.10)N N為結(jié)構(gòu)層數(shù)。

　　結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi)：

　　第二周期：T2=(1/3—1/5)T1;第三周期：T3=(1/5—1/7)T1.

　　(2)共振問(wèn)題當(dāng)建筑場(chǎng)地發(fā)生地震時(shí)，如果建筑物的自振周期和場(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。

　　(3)水平位移特征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t框一剪結(jié)構(gòu)和框一筒結(jié)構(gòu)的位移曲線應(yīng)為彎剪型。

　　2.4位移限值、剪重比及單位面積重度

　　(1)位移限值在結(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的再思考。

　　(2)剪重比及單位面積重度結(jié)構(gòu)的剪重比(也即水平地震剪力系數(shù))λ=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)。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<3.5 s的結(jié)構(gòu)剪重比則分別為0.016，0.032，0.064.單位面積重度v0=G/A(kN/㎡)是衡量結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面取值是否合理和樓層荷載數(shù)據(jù)輸入是否正確的一個(gè)重要指標(biāo)。式中的G由以下幾部分，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、樓面建筑面層及天棚抹灰(或吊頂)重、填充墻(包括抹面層)重和樓面使用荷載組成;A則一般以地面以上的建筑面積總和計(jì)算，以便有一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的比較標(biāo)準(zhǔn)。定性地分析比較r 0值的大小，可得出以下結(jié)果，即一般內(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)防烈度高的建筑大干設(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。一般高層建筑的單位面積重度在10-18kN/㎡之間，除個(gè)別較特別的以外，多數(shù)在15kN/㎡左右。

　　以上兩個(gè)指標(biāo)不僅在施工圖設(shè)計(jì)階段，而且在初步設(shè)計(jì)階段都是非常重要的數(shù)據(jù)，其數(shù)值正常與否從另一個(gè)側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)體系的選擇是否合適，結(jié)構(gòu)布置(包括構(gòu)件截面確定)是否合理，電算數(shù)據(jù)輸入是否正確，以及最后決定電算結(jié)果是否可信可用等，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)切不可掉以輕心，更不可認(rèn)為是無(wú)關(guān)緊要的。

　　3重點(diǎn)提高結(jié)構(gòu)重要部位的延性

　　為了提高高層建筑的抗震能力和抗倒塌能力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能的提高所有構(gòu)件的延展性。但是在具體操作中，想要完全做到這一點(diǎn)是不切實(shí)際的。因而，通常會(huì)選擇提高結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件或是某些構(gòu)件中的一些關(guān)鍵部位的延性。

　　在豎向結(jié)構(gòu)對(duì)于剛度沿高度均勻分布、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的高層建筑，在提高延性時(shí)主要側(cè)重于底部構(gòu)件;對(duì)于底盤(pán)較大的高層建筑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重提高主樓和裙樓屋面相銜接處構(gòu)件的延性;對(duì)框支結(jié)構(gòu)則要重點(diǎn)加強(qiáng)底部幾層或是底層框架的延性;而對(duì)于那些不規(guī)則立面的高層建筑，要注意提高形體突變處構(gòu)件的延性。

　　在結(jié)構(gòu)平面位置上，應(yīng)該注意建筑周邊轉(zhuǎn)角處、平面突變處和復(fù)雜平面各翼相接處構(gòu)件的延性;對(duì)偏心結(jié)構(gòu)，則主要是加大建筑物周邊特別是剛度較差一側(cè)構(gòu)件的延性;對(duì)那些有多道抗震防線抗側(cè)力構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要著重加大第一道防線構(gòu)件的延性。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　隨著高層建筑的快速發(fā)展，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都可能會(huì)遇見(jiàn)各種問(wèn)題。這就需要工程設(shè)計(jì)人員不斷的提高自身的知識(shí)和業(yè)務(wù)能力，結(jié)合高層建筑工程的具體狀況，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行合理分析和科學(xué)判斷，并運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理和完善，保證高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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