淺析高層建筑結構設計
摘要：對一個工程師來說，在設計一個業(yè)主所夢寐以求的高層建筑物時，設計人員到底應該做些什么?而且應該怎樣去做才能做得更好?業(yè)主花錢請工程師幫助設計他所想要的房屋，他要的不僅僅是你的“規(guī)范+計算”，更不是“規(guī)范+一體化計算機設計程序”而是借用你作為一個工程師本應具有的結構設計概念、經驗、悟性、判斷力和創(chuàng)造力。創(chuàng)新才是工程師對設計、對業(yè)主和社會的最大貢獻。
關鍵詞：高層建筑，結構設計，設計特點
一、前言
高層建筑是社會經濟發(fā)展和科技進步的產物。隨著大城市的發(fā)展，城市用地緊張，市區(qū)地價日益高漲，促使近代高層建筑的出現(xiàn)，電梯的發(fā)明更使高層建筑越建越高。宏偉的高層建筑是經濟實力的象征，具有重要的宣傳效應，在日益激烈的商業(yè)競爭中，更扮演了重要的角色。
二、高層建筑結構體系的選擇
高層建筑結構是否合理、經濟的關鍵就是高層建筑抗側力結構體系的選擇是否合理，抗側力結構體系有框架、剪力墻、框架-剪力墻、框架-核心筒、筒中筒等。對結構選型來說，沒有普遍使用的選擇標準，往往是隨著建筑的環(huán)境、功能要求有所變化，每一選擇都有其優(yōu)劣，這就需要結構工程師認真地對比和考慮。例如：框架結構建筑平面布置靈活，構件類型少，設計和施工都較簡單，但其抗側剛度小，當建筑較高時，梁柱截面大，影響室內使用空間;剪力墻結構整體性好，抗側剛度大，側移小，但其平面布置不靈活，一般適用住宅及旅館;而框架-剪力墻結構則綜合了框架結構和剪力墻結構的優(yōu)點，并可以設計成雙重抗側力體系，框架-剪力墻結構設計中要注意的就是剪力墻的布置要均勻，剛心與質心重合或相近，且剪力墻數量不宜過多，滿足規(guī)范的側移限值即好�？蚣�-核心筒的受力性能與框架-剪力墻相同，由于外框架間距大，使得建筑空間大而靈活，采光好，是高層公共建筑和辦公用房的理想選擇，在高度較高時，還可以加伸臂減小側移。筒中筒結構由于柱距小近年已較少應用。
三、高層建筑結構設計特點
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構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩，以及由此在豎構件中引起的軸力，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荷載和地震作用，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。
2.軸向變形不容忽視。高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大;還會對預制構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整;另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。
3.側移成為控制指標。與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。
4.結構延性是重要設計指標。相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。
四、高層建筑結構設計的基本原則
1以承載力、剛度、延性為主導目標，實施多道防線、剛柔結合的結構形式。即應具有一定大的剛度和承載力來抵御風荷載和小震，隨著第一道防線破壞，結構變柔后仍有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御未來可能遭遇的罕遇大震。
2在對結構進行分析計算時，應該運用最簡單、最直接、概念最清楚的計算方法，將結構的受力與傳力途徑設計成簡單、直接、明確。盡可能避免出現(xiàn)以抗扭為主導的關鍵性傳力構件。
3盡可能使結構平面布置的正交抗側力剛度中心(簡稱剛心)和建筑物表面力(風力)作用中心或質量重心(質心)靠近或重合，以避免或減小在風荷載或地震作用下產生的扭轉效應。
4建筑物豎向布置的抗側力剛度構件也最好設計成均勻、連續(xù)，避免出現(xiàn)軟弱層和上下層間的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度的突變。
5應重視上部結構與其支承結構整體共同作用的機理，即傳力與受力結構兩者之間的共同作用;例如，在高層建筑的箱基和筏基的底板設計中，計算軟件無法進行上部結構-地下室-地基基礎的相互作用分析，計算出來的底板內力遠遠大于底板實際受到的內力。
五、高層建筑結構設計的設計思路
1.屋面活荷載取值
框架荷載取0.3kN/m2已經沿用多年，不打算修改。但屋面結構，包括屋面板和檁條，其活荷載要提高到0.5kN/m2�！朵摻Y構設計規(guī)范》征求意見稿規(guī)定不上人屋面的活荷載為0.5kN/m2，但構件的荷載面積大于60m2的可乘折減系數0.6。門式剛架一般符合此條件，所以可用0.3kN/m2，與鋼結構設計規(guī)范保持一致。國外這類，要考慮0.15-0.5N/m2的附加荷載，而我們無此規(guī)定，遇到超載情況，就要出安全問題�，F(xiàn)在有的框架梁太細，檁條太小，明顯有克扣荷載情況，今后應特別注意，決不允許在有限的活荷載中“挖潛”。
2.屋脊垂度要控制
框架斜梁的豎向撓度限值一般情況規(guī)定為1/180，除驗算坡面斜梁撓度外，是否要驗算跨中下垂度?過去不明確，現(xiàn)在了解到，美國是計算的。他們作框架分析，一般是將構件分段，用等截面程序計算，每段都要計算水平和豎向位移，不能大于允許值，等于要驗算跨中垂度�？缰写苟确从澄菝尕Q向剛度，剛度太小豎向變形就大。屋面剛度本來就小，脊點下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面豎向剛度過小，第一榀剛架與山墻間的屋面出現(xiàn)斜坡，使屋面變形。現(xiàn)在打算做個規(guī)定，剛架側移后，當山尖下垂對坡度影響較大時(例如使坡度小于1/20)，要驗算山尖垂度，以便對屋面剛度進行控制。
3.鋼柱換砼柱
少數單位設計的門式剛架，采用鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成，斜梁用豎放式端板與砼柱中的預埋螺栓相連，形成剛接，目的是想節(jié)省鋼材和降低造價。在廠房中，的確是有用砼柱和鋼桁架組成的框架，但此時梁柱只能鉸接，不能剛接。多高層建筑中，鋼梁與墻的連接也是如此。因為混凝土是一種脆性材料，雖然構件可以通過配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能合并，在外力作用下很容易松動和破壞。還有的單位，在門式剛架設計好之后，又根據業(yè)主要求將鋼柱換成砼柱，而梁截面不變。應當指出，砼柱加鋼梁作成排架是可以的，但將剛架的鋼柱換成砼柱，而鋼梁不變，是不行的。由于連接不同，構件內力也不同，有的工程斜梁很細，可能與此有關。建筑結構是一門科學，如果不按科學辦事，是要吃苦頭的。今后國家要執(zhí)行建筑法，實行強制性條款，違反其中一項，出了工程事故，是要受罰的。
六、高層建筑抗震設計應注意的問題
在高層建筑的抗震設計中，概念設計的思想也得到延伸，所以結構工程師必須對結構地震破壞機理有深刻的認識，對地震試驗研究成果有一定的理解，這樣才能從概念上作出判斷，并采取措施。我國的抗震設防目標是“小震不壞，中震可修，大震不倒”�？拐鸾Y構構件必須有足夠大的承載能力，足夠的剛度、延性和耗能能力，以達到抗震設防目標。在同一地震作用下，剛度小的結構變形大，剛度大的結構變形小，所以，對同種材料而言，鋼筋混凝土框架結構比設置了剪力墻的鋼筋混凝土結構震害嚴重。另外，建筑的體型和結構總體布置也是在抗震設計值得特別重視的，平面形狀上宜簡單、對稱、避免過多的外伸、內凹、避免細腰形和角部重疊平面;電梯、樓梯的布置盡量避免布置在端角和凹凸處;避免錯層布置等。建筑立面也應是規(guī)則、均勻、從上到下外形變化不大，沒有過多的外挑內收，避免突變。還有一點就是建筑的非結構構件與建筑主體結構必須存在可靠連接，使其在地震時不脫落，以免發(fā)生倒塌傷人。
七.結論
隨著高層建筑進一步的發(fā)展，滿足高層建筑的形式，材料，力學分析模型都將日趨復雜多元，為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力，追求新的結構形式和更加合理的力學模型將是土木工程師們的目標和方向。
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