建筑工程師淺談高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　摘要：本文是建筑工程師通過闡述述高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的四個特點即水平荷載成為決定因素、軸向變形不容忽視、側(cè)移成為控制指標、結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)選型、地基與基礎(chǔ)設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算與分析等不同方面來介紹高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，供準備建筑工程師論文的同行參考。

　　關(guān)鍵詞 高層建筑就; 結(jié)構(gòu)設(shè)計; 結(jié)構(gòu)選型

　　1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

　　1.1水平荷載成為決定因素。一方面，因為樓房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，僅與樓房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)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比;另一方面，對某一定高度樓房來說，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)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度的變化。

　　1.2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，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中問支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大;還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整;另外對構(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，會得出偏于不安全的結(jié)果。

　　1.3 側(cè)移成為控制指標。與較低樓房不同，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)。

　　1.4結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標。相對于較低樓房而言，高層建筑結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。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，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當?shù)拇胧?，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

　　2 高層建筑通用結(jié)構(gòu)設(shè)計體系

　　2.1框架一剪力墻體系。當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設(shè)置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架一剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在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。框架一剪力墻體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均勻，所以框架一剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

　　2.2剪力墻體系。當受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時，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。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，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。

　　2.3 簡體體系。凡采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡體體系，包括單簡體、簡體一框架、筒中筒、多束筒等多種型式。簡體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實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孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。簡體體系具有很大的剛度和強度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層。

　　3 建筑結(jié)構(gòu)的控制設(shè)計

　　理論和試驗研究均表明，并經(jīng)震害實踐證明，如果要求建筑結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時不破壞或不倒塌，至少應(yīng)具備下列兩個條件之一：結(jié)構(gòu)的主要部位有足夠的強度儲備，結(jié)構(gòu)的主要部位對地震作用下的強追變形有充分的適應(yīng)能力，如單純滿足前者，往往需要耗用過多的材料，且若遭受強烈地震作用，結(jié)構(gòu)仍可能破壞或倒塌，從而提出抗震結(jié)構(gòu)按兩階段設(shè)計，即在彈必階段按強度控制，在彈塑性階段按變形控制，這樣設(shè)計的結(jié)構(gòu)，既有一定的強度，又具有較大的延性和耗能能力，能一定程度地適應(yīng)強烈地震使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強迫變形。

　　3.1 機構(gòu)控制

　　在分析框架和抗震墻結(jié)構(gòu)的倒塌模式的基礎(chǔ)上，提出對破壞機構(gòu)進行控制，使之發(fā)生期望的破壞機構(gòu)形式，達到既具有足夠強度又具有足夠延性的目的，實現(xiàn)途徑是在結(jié)構(gòu)的特定位置一定數(shù)量的人工塑性鉸，對塑性程度及區(qū)域進行控制，使得結(jié)構(gòu)在強震時能形成最佳耗能機構(gòu)，對于一個實際的多層，高層建筑結(jié)構(gòu)，如何實現(xiàn)機構(gòu)控制，即人工鉸的構(gòu)造，布置和出現(xiàn)順序的確定，是一個尚待深入研究的課題，且是此方案能否真正實現(xiàn)的關(guān)鍵。

　　3.2 梁的延性設(shè)計：

　　在梁的端部位置特殊腹筋，可以增強梁端的抗震性能，特別是對于剪跨比小的梁，延性和耗能均有大幅度的提高，用作抗震墻墻肢間的普通連粱和剛性連粱的延性和耗能特趕對整個抗震墻結(jié)構(gòu)的工作影響極大。

　　3.3 柱的延性設(shè)計：

　　雖然不希望塑性鉸發(fā)生在柱上，但是它們?nèi)孕枰哂幸欢ǖ难有院秃哪苣芰?，才能保證大震時不倒。試驗表明，采用螺旋箍筋能較大程度地提高柱的延性和后期抗軸壓能力，螺旋箍筋分為矩形箍和圓形箍，單旋箍和復(fù)臺箍，其中復(fù)合螺旋箍效果最好，圓形箍比矩形箍要好。

　　4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要注意的幾個問題

　　4.1 結(jié)構(gòu)選型。

　　4.1.1結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。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規(guī)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。

　　4.1.2結(jié)構(gòu)的超高問題。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，一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑或超過了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)劃的影響相當巨大。

　　4.2地基與基礎(chǔ)設(shè)計

　　在地基基礎(chǔ)設(shè)計中要注意地方性規(guī)范的重要性問題。由于我國占地面積較廣，地質(zhì)條件相當復(fù)雜，作為國家標準，僅僅一本《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》無法對全國各地的地基基礎(chǔ)都進行詳細的描述和規(guī)定，因此，作為建立在國家標準之下的地方標準。地方性的“地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范”能夠?qū)⒏鞯胤降牡鼗A(chǔ)類型和設(shè)計處理方法等一些成熟的經(jīng)驗描述和規(guī)定得更為詳細和準確，所以，在進行地基基礎(chǔ)設(shè)計時，一定要對地方規(guī)范進行深入地學(xué)習(xí)，以避免對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計或后期設(shè)計工作造成較大的影響。

　　4.3非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算與設(shè)計。

　　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，由于高層建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大，因此，必須嚴格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算處理措施進行設(shè)計。

　　結(jié)束語

　　隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和城市生活水平的不斷提高，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨更嚴峻的要求。在設(shè)計中我們要大力發(fā)展先進計算理論，加強計算機在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，加快新型優(yōu)質(zhì)建材的研究與應(yīng)用，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加安全、適用、可靠、經(jīng)濟。在結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中我們的概念上要打破建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的墨守成規(guī)，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師的創(chuàng)新能力，設(shè)計創(chuàng)造出更多的優(yōu)質(zhì)美觀的建筑?！〗┠陙?，我國的高層建筑建設(shè)發(fā)展迅速。但從設(shè)計質(zhì)量方面來看，并不理想。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)計算的準確性而忽略結(jié)構(gòu)方案的具體實際情況，應(yīng)作出合理的結(jié)構(gòu)方案選擇。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)具體情況進行具體分析掌握的知識處理實際建筑設(shè)計中遇到了各種問題。

　　參考文獻

　　[1]黃東升.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].南京：東南大學(xué)出版杜.

　　[2] GB50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準[s]

　　[3]梅洪元，付本臣.中國高層建筑創(chuàng)作理論發(fā)展研究[R].高層建筑與智能建筑國際學(xué)術(shù)研討會，2002.

　　相關(guān)閱讀：建筑工程師論文   建筑工程師論文發(fā)表

《建筑工程師淺談高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計》

上一篇：淺論人防地下室給排水設(shè)計

下一篇：系統(tǒng)研究低碳建筑設(shè)計要點