摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設(shè)用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速發(fā)展。因此，重視建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施解決，在建筑活動(dòng)中具有重要的作用。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

一、高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法及常見問題

1.各類結(jié)構(gòu)體系采用的分析方法

①框架一剪力墻體系

框架一剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算的方法很多，大都采用連梁連續(xù)化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉(zhuǎn)角相等的位移協(xié)調(diào)條件，可以建立位移與外荷載之間關(guān)系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同�？蚣芤患袅�墻的機(jī)算方法，通常是將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效壁式框架，采用桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法求解。

②剪力墻體系

剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不同，計(jì)算內(nèi)力與位移時(shí)需采用相應(yīng)的計(jì)算方法。剪力墻結(jié)構(gòu)的機(jī)算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對(duì)各類剪力墻都能適用。但因其自由度較多，計(jì)算機(jī)資源耗費(fèi)較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支剪力墻的轉(zhuǎn)換層等應(yīng)力分布復(fù)雜的情況。

③筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對(duì)計(jì)算模型處理手法的不同可分為三類:等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續(xù)化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。一種是只作幾何分布上的連續(xù)化，以便用連續(xù)函數(shù)描述其內(nèi)力;另一種是作幾何和物理上的連續(xù)處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應(yīng)用分析彈性薄板的各種有效方法。具體應(yīng)用有連續(xù)化微分方程解法、框筒近似解法、擬殼法、能量法、有限單元法、有限條法等。等效離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，以便應(yīng)用適合桿系結(jié)構(gòu)的方法來分析。這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子結(jié)構(gòu)法等。具體應(yīng)用包括等代角柱法、展開平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子結(jié)構(gòu)法。

2.我國(guó)高層建筑抗震分析中常見問題

①材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題

在高層建筑中，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土(柱)結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。在超過一定高度后，為減小風(fēng)振，鋼骨(鋼管)混凝土通常作為首選。在鋼骨混凝土構(gòu)件中，日本阪神地震震害說明，采用格構(gòu)式的型鋼時(shí)，震害嚴(yán)重，采用實(shí)腹式的熱軋型鋼或焊接工字鋼的，則震害要減小許多。

②在某些烈度區(qū)采用了較低的抗震措施與構(gòu)造措施

對(duì)于“小震不壞，中震可修，大震不倒”這個(gè)抗震設(shè)計(jì)原則，在新形勢(shì)下也有重新審核的必要。我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)除了設(shè)防烈度較低外，具體抗震計(jì)算方法和構(gòu)造規(guī)定的安全度也不如國(guó)外，在配筋率、軸壓比、梁柱承載力匹配等一系列保證抗震延性的要求上，與外國(guó)相比，也有異同，其中的8度區(qū)，我國(guó)就明顯不如外國(guó)嚴(yán)格。隨著社會(huì)財(cái)富的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)失效帶來的損失愈來愈大，加之結(jié)構(gòu)造價(jià)在整個(gè)投資中的比例下降，因而有人主張結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下應(yīng)該采用彈性設(shè)計(jì)，特別是高烈度區(qū)要有嚴(yán)格的抗震措施與抗震構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)的安全。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)既要承受垂直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。隨著高度的增加，位移增加很快。但是過大的側(cè)移會(huì)使人感覺不舒服，從而影響使用，會(huì)造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。所以必須將結(jié)構(gòu)的側(cè)移控制在一定的范圍之內(nèi)。

1980年以前，高層建筑基本上是鋼筋混凝土三大常規(guī)抗側(cè)力體系:框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，它們的共同特點(diǎn)是以平面框架或平面剪力墻作為基本抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元，多方向(縱向、橫向、斜向)組成空間受力結(jié)構(gòu)。80年代后，隨著人們對(duì)建筑功能要求的提高，平面布置和豎向體系日益復(fù)雜，而且層數(shù)增多，高度加大，以及設(shè)防烈度提高，常規(guī)的抗側(cè)力體系往往難滿足要求，于是以空間整體受力為特征的筒體結(jié)構(gòu)便得到了廣泛的采用，在建和已建的100米以上的高層建筑中，采用筒體結(jié)構(gòu)的占80%。最近幾年，一些更新穎的結(jié)構(gòu)形式己經(jīng)得到應(yīng)用。這些結(jié)構(gòu)體系都從整體受力為特點(diǎn)，而且能更好地滿足動(dòng)能要求。在高層建筑的設(shè)計(jì)中，通常采用鋼和鋼筋混凝土兩種材料。

1.水平荷載是決定因素

首先，對(duì)具有一定高度的高層建筑來說,雖然，豎向荷載大體上是定值,但是作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用,其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而發(fā)生較大幅度變化的。其次，水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力,卻與樓房高度的兩次方成正比，但是，樓房自重和樓面使用荷載在豎構(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。

2.不可忽視軸向變形

在豎向荷載作用下, 邊、角柱壓縮變形相對(duì)較小，而中柱承擔(dān)的樓板面積大,軸向力大,壓縮變形大。在高層建筑中, 柱中較大的軸向變形是由于豎向荷載數(shù)值大而引起的,并且還會(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,跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大。同時(shí)，由于這一作用還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響,因此，在實(shí)際的操作中，要根據(jù)軸向變形計(jì)算值,對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。

3.把側(cè)移作為控制指標(biāo)

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)。因此，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。

4.結(jié)構(gòu)抗震性與延性

“小震不壞、大震不倒”是高層建筑抗震設(shè)計(jì)所要遵循的基本原則。高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì),在考慮到常規(guī)設(shè)計(jì)中的豎向荷載、風(fēng)荷載外,還必須考慮到地震載荷。為了使結(jié)構(gòu)在地震中避免整體性倒塌,就特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧﹣肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

5.減輕高層建筑的自重

如果高層建筑重量大了,不僅會(huì)造成作用于結(jié)構(gòu)上的地震剪力大了,而且還會(huì)由于重心高，地震作用傾覆力矩大的緣故從而對(duì)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。由于地震效應(yīng)與建筑的重量成正比,減輕房屋自重也是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的好辦法。減輕房屋自重是能夠在同樣地基或樁基下能在不增加基礎(chǔ)造價(jià)和處理措施的情況下,可以多建層數(shù),這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟(jì)效益。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

1.地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

地基基礎(chǔ)是整個(gè)工程造價(jià)的決定性因素，該階段設(shè)計(jì)過程的好壞將會(huì)直接影響到后期設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行，而且出現(xiàn)在這一階段的問題,有可能更加嚴(yán)重甚至造成無法估量的損失。所以，結(jié)構(gòu)工程師一直是比較重視地基與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。但是，由于我國(guó)占地面積較廣,地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜,在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中界定一定的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施一定的規(guī)范也是有難度的�，F(xiàn)行的《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》無法對(duì)全國(guó)各地的地基基礎(chǔ)做詳細(xì)的描述和規(guī)定,因此,在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之下還需建立能夠?qū)⒏鞯胤降牡鼗�基礎(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)確的地方標(biāo)準(zhǔn)，從而盡量避免因地基問題二造成的對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或后期設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生較大影響的問題出現(xiàn)。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)受力性能

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)定是非常重要的，在一個(gè)建筑物方案設(shè)計(jì)之初，建筑師著重考慮的是它的空間組成特點(diǎn)，而并非是其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)。因?yàn)榻ㄖ�物的結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，況且結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，所以建筑設(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。鑒于以上原因，建筑設(shè)計(jì)師在建筑設(shè)計(jì)方案的起始階段，就必須對(duì)主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布給出總體的規(guī)劃和設(shè)想。

3.提倡節(jié)約

目前，國(guó)家提倡的是建立節(jié)約型的發(fā)展社會(huì)，實(shí)行可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。同樣，在建筑工程中，我們也要遵循這一原則。按照我國(guó)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的大樓還是能進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的，外國(guó)大企業(yè)在北京買按我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的大樓就是很好的證明。但是，從實(shí)際狀況來看，由于一些原材料和技術(shù)方面的原因，目前我國(guó)規(guī)范中的構(gòu)造要求,并非都比外國(guó)低，有的已經(jīng)超過。鑒于目前客觀形勢(shì)的,國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)和住宅制度改革現(xiàn)狀等諸多方面的因素,我們可以將現(xiàn)行設(shè)計(jì)可靠度水平適當(dāng)提高一點(diǎn),這樣投入也不大,但對(duì)國(guó)家總體和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益有利。

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