高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與常見問題探討

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與常見問題探討    摘要：隨著高層建筑在我國的迅速發(fā)展，建筑高度的不斷增加，建筑類型與功能愈來愈復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系的更加多樣化，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)工作的主要重點(diǎn)和難點(diǎn)之所在。本文就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和高層建筑的結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對(duì)設(shè)計(jì)過程中常見問題進(jìn)行解析。 關(guān)鍵詞：高層建筑設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)分析；常見問題探討； 一高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn) 1.1水平荷載成為決定因素 一方面，因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d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(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎向構(gòu)

2、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(duì)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(dòng)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(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，跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對(duì)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(jì)算值，對(duì)下料長度進(jìn)行調(diào)整；另外對(duì)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(huì)得出偏于不安全的結(jié)果。 1.3側(cè)移成為控制指標(biāo) 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(jì)中的關(guān)鍵因素

3、。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(jì)指標(biāo) 相對(duì)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(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。 二高層建筑結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn) 在豎向荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)的變形主要是豎向構(gòu)件的壓縮變形。由于各豎向構(gòu)件的應(yīng)力大小不同，因而其壓縮變形大小也不同。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于在施工過程中的找平，同時(shí)由于各豎向構(gòu)件的基底軸力大小不同，若不對(duì)基底應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整，也可能導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)

4、生不均勻沉降。在水平荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)最大的頂點(diǎn)位移為：水平均布荷載max=qH4/8EI，倒三角形水平荷載max=11qH4/120EI，式中EI為結(jié)構(gòu)，從以上可看出，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移與其總高度的四次方成正比。則又比水平荷載作用下的內(nèi)力累積效應(yīng)增加更快，這就說明，高層建筑結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移是相當(dāng)敏感的。水平荷載作用下所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及側(cè)移是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。所以結(jié)構(gòu)應(yīng)具備較大的抗側(cè)度，而不僅僅滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定要求。 三高層建筑結(jié)構(gòu)分析 3.1高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定 高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件（框架、剪力墻、筒體等）通過水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系，要想完全

5、精確地按照三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是十分困難的。各種實(shí)用的分析方法都需要對(duì)計(jì)算模型引入不同程度的簡化。以下是常見的一些基本假定： （1）彈性假定：目前，工程上使用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計(jì)算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。但是，在遭受地震或強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)往往會(huì)產(chǎn)生較大的位移而出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入到彈塑性工作階段。如果此時(shí)仍按彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移，則不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作狀態(tài)，而應(yīng)按彈塑性動(dòng)力分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （2）小變形假定：小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。有不少研究人員對(duì)幾何非線性問題（P-效應(yīng)）進(jìn)行了

6、研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點(diǎn)水平位移與建筑物高度H的比值/H>1/500時(shí)，則P-效應(yīng)的影響就不能忽視。 （3）剛性樓板假定：許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度，簡化了計(jì)算方法，并為采用空間薄壁桿件理論計(jì)算筒體結(jié)構(gòu)提供了條件。一般來講，對(duì)于框架體系和剪力墻體系，采用這一假定是完全可以的。但是，對(duì)于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，如樓板剛度較小、主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過大或是層數(shù)較少等情況，則樓板變形的影響較大，特別是對(duì)結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯。可對(duì)這些樓層的剪力作適當(dāng)調(diào)整來考慮這種影響。 （4）計(jì)算圖形

7、的假定：高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計(jì)算圖形主要是三維空間分析。二維協(xié)同分析并未考慮抗側(cè)力構(gòu)件的公共節(jié)點(diǎn)在樓面外的位移協(xié)調(diào)（豎向位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)），而且忽略了抗側(cè)力構(gòu)件平面外的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，對(duì)于具有明顯空間工作性能的筒體結(jié)構(gòu)也是不妥的。三維空間分析的普通桿單元每一節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度；按符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點(diǎn)還應(yīng)考慮截面翹曲。 3.2高層建筑結(jié)構(gòu)靜力分析方法 （1）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算的方法很多，大多采用連梁連續(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

8、具體形式也不相同?？蚣?剪力墻的機(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）剪力墻結(jié)構(gòu)：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。按受力特性的不同，單片剪力墻可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。剪力墻的類型不同，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，而且適用于各類剪力墻。但由于其自由度較多,機(jī)時(shí)耗費(fèi)較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等應(yīng)力分布復(fù)雜的情況。 （3）筒體結(jié)構(gòu)：按照對(duì)計(jì)算模型處理手法的不同，筒體結(jié)構(gòu)的分析方法可分為3類：等效

9、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。一種是只進(jìn)行幾何分布上的連續(xù)化，以便應(yīng)用連續(xù)函數(shù)描述其內(nèi)力；另一種是作幾何和物理上來分析。這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。比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計(jì)算模型,是完全按三維空間結(jié)構(gòu)來分析筒體結(jié)構(gòu)體系，其中應(yīng)用最廣的是空間桿薄壁桿系矩陣位移法。這種方法是將高層結(jié)構(gòu)體系視為由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元組合而成的空間桿系結(jié)構(gòu)，空間梁柱每端節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。核心筒或剪力墻的墻肢采用符拉索夫薄壁桿件理論分析，每端節(jié)點(diǎn)有7個(gè)自由度,比空間桿增加了1個(gè)翹曲自由度，對(duì)應(yīng)的內(nèi)力是雙彎矩。三維

10、空間分析的精度較高，但其未知量較多,計(jì)算量較大，在不引入其他假定時(shí)，每一樓層的總自由度數(shù)為6Nc+7Nw（Nc、Nw為柱及墻肢數(shù)目）。通常均引入剛性樓板假定，并假定同一樓面上各薄壁柱的翹曲角相等，這樣每一樓層的總自由度數(shù)降為3（Nc+Nw）+4，這是目前工程上采用最多的計(jì)算模型。 四高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中常見的問題及其對(duì)策 4.1高度問題 按我國現(xiàn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)規(guī)定,綜合考慮經(jīng)濟(jì)與適用的原則,給出了各種常見結(jié)構(gòu)體系的最大適用高度,詳見表1。這個(gè)高度是在我國目前建筑科研水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和施工技術(shù)水平下,較為穩(wěn)妥的,也是與目前整個(gè)土木工程規(guī)范體系相協(xié)調(diào)的。可實(shí)

11、際上,已有許多混凝土結(jié)構(gòu)高層建筑的高度超過了這個(gè)限制,如:采用組合結(jié)構(gòu)體系的金茂大廈,高達(dá)420115m(建筑高度);采用混凝土結(jié)構(gòu)體系的中信廣場,也高達(dá)322m(建筑高度)。對(duì)于超高限建筑物,應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度。因?yàn)樵诘卣鹆ψ饔孟?超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。隨著建筑物高度的增加,許多影響因素將發(fā)生質(zhì)變,即有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍,如安全指標(biāo)、延性要求、材料性能、荷載取值、力學(xué)模型選取等。 表1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高樓的最大適用高度（m） 4.2材料的選用和結(jié)構(gòu)體系問題 在地震多發(fā)區(qū),采用何種建筑材料或結(jié)構(gòu)體系較為合理是工程技術(shù)人員非常重視的問題。我國150m以上的

12、建筑,采用了三種主要結(jié)構(gòu)體系:框一筒、筒中筒和框架一支撐。這些也是其他國家高層建筑經(jīng)常采用的主要結(jié)構(gòu)體系。但國外在地震區(qū),多是以鋼結(jié)構(gòu)為主,而在我國,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)占了90%。如此高的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu),在國內(nèi)外都還沒有經(jīng)受較大地震作用的考驗(yàn)。混合結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土內(nèi)筒往往要承受80%以上的地震作用剪力,有的高達(dá)90%以上。由于結(jié)構(gòu)以鋼筋混凝土核心筒為主,變形控制要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移限值為基準(zhǔn)。但因其彎曲變形的側(cè)移較大,靠剛度很小的鋼框架協(xié)同工作減小側(cè)移,不僅增大了鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān),而且效果不大,有時(shí)不得不加大混凝土筒的剛度或設(shè)置伸臂結(jié)構(gòu),形成加強(qiáng)層才能滿足規(guī)范側(cè)移限值。此外,在

13、結(jié)構(gòu)體系或柱距變化時(shí),需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。加強(qiáng)層和轉(zhuǎn)換層都在本層形成大剛度而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變,常常會(huì)使與加強(qiáng)層或轉(zhuǎn)換層相鄰的柱構(gòu)件剪力突然加大,且加強(qiáng)層伸臂構(gòu)件或轉(zhuǎn)換層構(gòu)件與外框架柱連接處很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁。此在需要設(shè)置加強(qiáng)層及轉(zhuǎn)換層時(shí),要慎重選擇其結(jié)構(gòu)模式,盡量降低其本身剛度,以減少不利影響。在高層建筑中,根據(jù)現(xiàn)在我國建筑鋼材的類型、品種和鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力,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。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

14、減少許多。 4.3軸壓比與短柱問題 在鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)中,往往為了控制柱的軸壓比而使柱的截面很大,而柱的縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋。即使采用高強(qiáng)混凝土,柱斷面尺寸也不能明顯減小。限制柱的軸壓比是為了使柱子處于大偏壓狀態(tài),防止受拉鋼筋未達(dá)屈服而混凝土被壓碎。柱的塑性變形能力小,則結(jié)構(gòu)的延性就差,當(dāng)遭遇地震時(shí),耗散和吸收地震能量少,結(jié)構(gòu)容易被破壞。但是在結(jié)構(gòu)中若能保證強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì),且梁具有良好延性,則柱子進(jìn)入屈服的可能性就大大減少,此時(shí)可放松軸壓比值。另外,許多高層建筑底幾層柱的長細(xì)比雖然小于4,但并不一定是短柱。因?yàn)榇_定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比,只有剪跨比小于2的柱才是短柱。有專家學(xué)者提出現(xiàn)

15、行抗震規(guī)范應(yīng)采用較高軸壓比。但是即使能調(diào)整軸壓比限值,柱斷面并不能由于略微增大軸壓比限值而顯著減小。因此在抗震的超高層建筑中采用鋼筋混凝土是否合理值得商榷。 4.4在某些烈度區(qū)采用較低的抗震措施與構(gòu)造措施 現(xiàn)在許多專家學(xué)者提出,現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度己不能適應(yīng)國情的需要,認(rèn)為我國“取用了可能是世界上最低的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度”并主張“建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度水平應(yīng)該大幅度提高”。此外,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,在新形勢下也有重新審核的必要。我國現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)比較低,當(dāng)取50年為分析年限時(shí),小震烈度對(duì)應(yīng)的被超越概率為6312%,重現(xiàn)期為50年,中震烈度對(duì)應(yīng)的被超越的概率為1

16、0%,重現(xiàn)期為475年,大震對(duì)應(yīng)的超越的概率為2%左右,重現(xiàn)期為2000年左右,同時(shí)規(guī)定抗震設(shè)防烈度與設(shè)計(jì)基本地震加速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低的根本原因在于國家財(cái)力物力有限。我國建筑結(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,與外國相比,也有異同,其中的8度區(qū),我國就明顯不如外國嚴(yán)格。隨著社會(huì)財(cái)富的增長,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。 五.結(jié)語 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做好結(jié)構(gòu)分析，多做方案比較，根據(jù)使用功能和受力的合理性確定好結(jié)構(gòu)的體系，是用剪力墻結(jié)構(gòu)還是框架結(jié)構(gòu)等，再從結(jié)構(gòu)的整體去分析它的剛度比、周期比、剪重比、位移比、是否考慮P-效應(yīng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗(yàn)算等。高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)體系從上到下一層層地傳遞累積著重力荷載,因此要求較大的柱或墻截面來承受這些荷載。同時(shí),這些豎向結(jié)構(gòu)體系還必須把風(fēng)荷載或地震作用等側(cè)向荷載傳給