摘要：高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，其結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)在各專(zhuān)業(yè)中占有很更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、施工工期長(zhǎng)短和施工技術(shù)的要求和投資的高低等。文章結(jié)合筆者多年來(lái)在這方面的工作經(jīng)驗(yàn)，就高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)概要進(jìn)行探討。

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

隨著城市集約化用地要求的不斷提高，建筑向高發(fā)展的趨勢(shì)越來(lái)明顯，西方發(fā)達(dá)國(guó)家在把建筑向高發(fā)展的過(guò)程中，運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑了很多經(jīng)典的作品。我國(guó)也大力借鑒了這些西方高層結(jié)構(gòu)建筑的成功設(shè)計(jì)，一大批造型新穎、美觀實(shí)用的高層結(jié)構(gòu)建筑在東部發(fā)達(dá)地區(qū)鱗次櫛比，隨著產(chǎn)業(yè)西行，高層和異結(jié)構(gòu)建筑也開(kāi)始在西部地區(qū)落地生根。但由于目前住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期短，任務(wù)重,大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅是根據(jù)已確定好的平面和豎向布置,先假定好構(gòu)件尺寸,通過(guò)電算來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的周期、位移、剛度比等,以至于住宅建好后在經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、安全方面留下遺憾。

一、高層建筑的細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)平面的設(shè)計(jì)與布置

平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱(chēng)盡量使質(zhì)心和鋼心重合。偏心大的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大，會(huì)加大端部構(gòu)件的位移，導(dǎo)致應(yīng)力集中。平面突出部分不宜過(guò)長(zhǎng)。扭轉(zhuǎn)是否過(guò)大，可用概念設(shè)計(jì)方法近似計(jì)算鋼心、質(zhì)心及偏心距后進(jìn)行判斷，還可以比較結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)邊緣處的最大層間變形和質(zhì)心處的層間變形，其比值超過(guò)1.1者，可以認(rèn)為扭轉(zhuǎn)太大而結(jié)構(gòu)不規(guī)則。高層建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，當(dāng)由于使用功能與建筑的要求，結(jié)構(gòu)平面布置嚴(yán)重不規(guī)則時(shí)，應(yīng)將其分割成若干比較簡(jiǎn)單、規(guī)則的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。對(duì)于地震區(qū)的抗震建筑，簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱(chēng)的原則尤為重要。

2.結(jié)構(gòu)立體的設(shè)計(jì)與布置

結(jié)構(gòu)豎向布置最基本的原則是規(guī)則、均勻。規(guī)則，主要是指體型規(guī)則，若有變化，亦應(yīng)是有規(guī)則的漸變。體型沿豎向的劇變，將使地震時(shí)某些變形特別集中，常常在該樓層因過(guò)大的變形而引起倒塌。均勻是指上下體型、剛度、承載力及質(zhì)量分布均勻，以及它們的變化均勻。結(jié)構(gòu)宜設(shè)計(jì)成剛度下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小，將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴(yán)重的會(huì)引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化，也應(yīng)下大上小逐漸變化，不應(yīng)發(fā)生過(guò)大的突變。上下樓層收進(jìn)使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生，對(duì)于收進(jìn)的尺寸應(yīng)當(dāng)限制。

3.建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與布置

高層建筑的上層結(jié)構(gòu)載荷很大，基礎(chǔ)底面壓力也很大，應(yīng)采用整體性好、能滿(mǎn)足地基的承載力和建筑物容許變形要求并能調(diào)節(jié)不均勻沉降的基礎(chǔ)形式。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)類(lèi)型、層數(shù)、載荷及地基承載力，可以用筏型基礎(chǔ)或箱型基礎(chǔ);當(dāng)?shù)鼗�承載力或變形不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可以采用樁基或復(fù)合地基。筏型基礎(chǔ)一般有兩種做法：倒肋形樓蓋式和倒無(wú)梁樓蓋式。倒肋形樓蓋的筏基，板的折算厚度較小，用料較省，剛度較好，但施工比較麻煩，模板較費(fèi)。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空間的利用，但地基開(kāi)鑿施工麻煩，而且破壞了地基的連續(xù)性，擾動(dòng)了地基土，會(huì)降低地基承載力;采用倒無(wú)梁樓蓋式的筏基，板厚較大，用料較多，剛度也較差，但施工較為方便，且有利于地下空間的利用。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.基礎(chǔ)形式的選擇。

高層建筑的基礎(chǔ)形式應(yīng)選用整體性好,能滿(mǎn)足地基承載力和高層建筑容許變形的要求,并能調(diào)節(jié)不均勻沉降,達(dá)到安全實(shí)用和經(jīng)濟(jì)合理的目的。以下討論平板式筏基和梁板式筏基經(jīng)濟(jì)合理的問(wèn)題。

平板式筏基與梁板式筏基相比較具有節(jié)約鋼材、混凝土,施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。住宅一般開(kāi)間小,即剪力墻間距小,并且剪力墻剛度大,所以剪力墻完全可以起到梁板式筏基中基礎(chǔ)梁的作用。采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的JCCAD軟件, 用有限元法對(duì)不同基礎(chǔ)形式進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算,發(fā)現(xiàn)平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多,但梁板式筏基卻有基礎(chǔ)梁的配筋、混凝土用量和基礎(chǔ)梁支模等情況。當(dāng)采用梁板式筏基時(shí)有的基礎(chǔ)梁的剛度達(dá)不到它所應(yīng)起到的剛度作用,計(jì)算時(shí)超筋。于是還要再增大梁的斷面。從綜合經(jīng)濟(jì)效益分析, 對(duì)于采用剪力墻結(jié)構(gòu)形式的高層住宅平板式筏基比梁板式筏基更經(jīng)濟(jì)合理。

2.結(jié)構(gòu)平面布置過(guò)程中通過(guò)計(jì)算限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

2.1限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性避免產(chǎn)生過(guò)大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)�！陡邔咏ㄖ�混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》435條規(guī)定:在考慮偶然偏心影響的地震作用下,樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移,A級(jí)高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍, 不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。

抗震設(shè)計(jì)的A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑其平面布置宜簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱(chēng)、減少偏心。結(jié)構(gòu)平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載,受力明確,傳力直接,力爭(zhēng)均勻?qū)ΨQ(chēng),減少扭轉(zhuǎn)影響。結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱(chēng)也會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。所以在布置剪力墻時(shí),應(yīng)使結(jié)構(gòu)均勻分布,令荷載合力作用線(xiàn)通過(guò)結(jié)構(gòu)剛度中心,以減少扭轉(zhuǎn)影響。結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱(chēng)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時(shí),通過(guò)增加墻厚來(lái)調(diào)整扭轉(zhuǎn)效應(yīng)效果不佳。高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅中剪力墻影響剛度,而剪力墻為矩形截面,慣性矩為IZ=bh3/12,b為墻厚,h為墻長(zhǎng)。剪力墻的長(zhǎng)度對(duì)其剛度影響很大。首先分析哪部分結(jié)構(gòu)剛度大, 哪部分結(jié)構(gòu)剛度小,增大剛度對(duì)結(jié)構(gòu)有利,還是減小剛度對(duì)結(jié)構(gòu)有利,通過(guò)增減剪力墻達(dá)到結(jié)構(gòu)剛度均勻?qū)ΨQ(chēng),滿(mǎn)足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》435條對(duì)最大水平位移和層間位移的要求。

2.2限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱�！陡邔咏ㄖ�混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》435條規(guī)定:結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比,A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9。

扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng)的主方向,可通過(guò)計(jì)算振型方向因子來(lái)判斷,在兩個(gè)平動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)成的三個(gè)方向因子中,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向因子大于0.5時(shí),則該振型可認(rèn)為是扭轉(zhuǎn)為主的振型。

當(dāng)不滿(mǎn)足以上要求時(shí),宜調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置,增大結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。如在滿(mǎn)足層間位移比的情況下,減小某些(中部)豎向構(gòu)件剛度,增大平動(dòng)周期,加大端部豎向構(gòu)件抗扭剛度,減小扭轉(zhuǎn)周期。

2.3高層住宅轉(zhuǎn)角窗處的構(gòu)造處理。角部墻體開(kāi)洞,與角部墻體不開(kāi)洞的剪力墻結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)影響頗大,結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差異,角部墻體開(kāi)洞的剪力墻結(jié)構(gòu)其外墻內(nèi)力明顯增大。開(kāi)洞的角部各構(gòu)件扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯,特別是洞口處的連梁,需配置抗扭鋼筋,轉(zhuǎn)角處樓板宜局部加厚,配筋宜適當(dāng)加大,在轉(zhuǎn)角處板內(nèi)設(shè)置連接兩側(cè)墻體的暗梁。

2.4高層建筑平面凹入較深時(shí)構(gòu)造處理。如圖1所示的建筑平面凹入較深,平面不規(guī)則,容易發(fā)生震害,在不妨礙建筑使用的原則下可以采取以下措施:設(shè)置拉梁或拉板(板厚為250mm ~300mm),拉梁拉板內(nèi)配置受拉鋼筋。滿(mǎn)足梁板最小配筋率要求。

2.5不規(guī)則樓板的計(jì)算。在居住建筑中由于平面使用功能的需要,常出現(xiàn)如圖2所示的不規(guī)則樓板,以往處理方法在缺口設(shè)梁,這樣影響建筑的美感�，F(xiàn)在設(shè)計(jì)中改設(shè)暗梁,梁適當(dāng)加寬。樓板的承載力潛力較大,計(jì)算時(shí)可按一般梁計(jì)算。

三、結(jié)語(yǔ)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有絕對(duì)最佳的標(biāo)準(zhǔn)模式,只有通過(guò)不斷地探索、比較,去尋求相對(duì)的最優(yōu)。因此我們每一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)不斷地追求盡善盡美的設(shè)計(jì)思想,不只盲目照搬規(guī)范和依賴(lài)計(jì)算機(jī)程序作設(shè)計(jì),用自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念、經(jīng)驗(yàn)、判斷力和創(chuàng)造力為業(yè)主和社會(huì)設(shè)計(jì)出更好的建筑。

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