結(jié)合實(shí)例分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)例分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［摘要］筆者根據(jù)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),就高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)例突出高層建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并總結(jié)了高層建筑的結(jié)構(gòu)體系類型。

［關(guān)鍵詞］高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平載荷變形側(cè)移

TU208文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是針對高層建筑特性的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)和施工可行的要求下，按有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體布置、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、計(jì)算、構(gòu)造和制圖工作，并尋求優(yōu)化的過程。隨著我國經(jīng)濟(jì)與科技的飛速提高，涌現(xiàn)出越來越多的高層建筑。由于我國鋼產(chǎn)量居世界前列，混凝土使用量亦居世界第一，這就為高層建筑的發(fā)展創(chuàng)造了良好的物質(zhì)條件，所以鋼筋混凝土高層建筑仍是具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。

一、結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.水平載荷產(chǎn)生的內(nèi)力及側(cè)移的影響

任何一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)都要同時(shí)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。在較低樓房中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，對結(jié)構(gòu)的影響也就較??；但在較高樓房中盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生著重要影響，水平荷載卻起著決定性的作用。隨著樓房層數(shù)的增多，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力及側(cè)向位移迅速增大，這同樣也要求結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)剛度，使之在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi)，保證良好的居住和工作條件?？傊胶奢d愈益成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可小視的控制因素。在6度抗震設(shè)防設(shè)計(jì)中，很多情況是風(fēng)作用為控制性工況；在7度以上抗震設(shè)防設(shè)計(jì)中地震作用是控制性作用，地震作用對高層建筑危害的可能性也比較大，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的抗震設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。

2.豎向變形的影響

通常在多層建筑結(jié)構(gòu)分析中，由于軸力項(xiàng)影響很小，多以考慮彎矩項(xiàng)為主。但對于高層建筑結(jié)構(gòu)，情況就不同了。由于層數(shù)多，高度大，軸力值很大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會使高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生顯著的改變。對連續(xù)梁彎矩的影響：采用框架體系和框－墻體系的高樓中，框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)力，中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時(shí)，此種差異軸向變形將會達(dá)到較大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁的中間支座產(chǎn)生沉陷，從而使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩增大。

3.結(jié)構(gòu)整體剛度的影響

高層建筑的剛度決定其在地震中吸收與釋放能量的大小，剛度大的建筑在地震中吸收的能量多，釋放的較少；較柔的結(jié)構(gòu)在地震中吸收的能力少，釋放的多。故此結(jié)構(gòu)在地震中的整體剛度表現(xiàn)一定要適中，特別需要在構(gòu)造上采以恰當(dāng)?shù)拇胧?，來保證結(jié)構(gòu)的剛度要求。

二、高層結(jié)構(gòu)體系

通過受力因素分析，下一步就考慮采用什么結(jié)構(gòu)體系，有下面幾種高層建筑結(jié)構(gòu)體系可供選擇：框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等。根據(jù)其受力特點(diǎn)，選取合適的結(jié)構(gòu)體系或其組合體系。

1.框架體系

框架結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件由框架梁、框架柱、基礎(chǔ)組成，從而形成空間整體受力體系。其體形布置較為自由，空間可以靈活分割。但高層框架體系抗側(cè)剛度較差，水平位移較大，為了滿足側(cè)向剛度及使用要求底層的框架柱往往需要較大的截面，對使用功能及經(jīng)濟(jì)效益都有一定影響。

2.剪力墻體系

剪力墻結(jié)構(gòu)體系是利用鋼筋混凝土墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結(jié)構(gòu)體系。鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，承載力要求容易滿足，其抗震性能良好，適于建造較高的高層建筑。但鑒于其受制于受力與傳力的要求，其空間布置較不靈活，也不宜開設(shè)較大洞口，對于一些對空間分割有要求的公共高層建筑較難滿足。

3.框架—剪力墻體系

在框架體系中適當(dāng)布置能抵抗水平推力的墻體，并使框架柱、樓板有可靠連接而形成的結(jié)構(gòu)體系。房屋的豎向荷載由框架柱和剪力墻共同承擔(dān)，而水平荷載則主要由剛度較大的剪力墻來承受。由于有了剪力墻，其體系比框架結(jié)構(gòu)體系的剛度和承載力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（隔墻和外墻）的損壞。這樣無論在非地震區(qū)還是地震區(qū)，都可以用來建造較高的高層建筑。還可以把中間部分的剪力墻形成簡體結(jié)構(gòu)，布置在內(nèi)部，外部柱子的布置就可以十分靈活。

4.筒中簡體系

筒體結(jié)構(gòu)由框架或剪力墻圍合成豎向井筒，并以各層樓板將井筒四壁相互連接起來，形成一個(gè)空間構(gòu)架。通常簡體結(jié)構(gòu)基本形式有三種：實(shí)腹筒、框筒及桁架筒。筒體結(jié)構(gòu)最主要的特點(diǎn)就是它的空間受力性能良好。不論哪一種簡體，在水平力作用下都可看成固定于基礎(chǔ)上的箱形懸壁構(gòu)件，它比單片平面結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)剛度和承載力，并具有良好的抗扭剛度。簡中筒結(jié)構(gòu)是一種抵抗較大水平力的有效結(jié)構(gòu)體系，但其抗側(cè)剛度較大，吸收地震能量大，延性不好，這就造成造價(jià)比較高，從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮還需慎重。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)例分析

某項(xiàng)目建筑高度120米，結(jié)構(gòu)十七層，結(jié)構(gòu)體系為框架－剪力墻體系。結(jié)構(gòu)技術(shù)含量較高,計(jì)算繁瑣,但圖上作業(yè)量相對不大,結(jié)構(gòu)布置較規(guī)則。除有牢固的支撐體系,包括泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁、梁、柱及剪力墻外,還引入了混凝土斜柱和鋼結(jié)構(gòu)塔尖,屬相對較為復(fù)雜的受力部分,其中本工程的亮點(diǎn)是位于結(jié)構(gòu)第八與十二層引入了斜柱支撐體系，層高為5.1米，其豎向力可分解為沿柱的軸力與垂直于柱的剪力，故柱底彎矩要比豎向布置的框架柱大很多，斜柱箍筋全長加密。但施工時(shí)在柱底節(jié)點(diǎn)區(qū)域遇到較大困難，由于箍筋排布較密，成品雙肢箍很難套進(jìn)內(nèi)部，而在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)此節(jié)點(diǎn)也需要密布此種箍筋，故現(xiàn)場采用兩根單肢箍在節(jié)點(diǎn)區(qū)域直接焊接成雙肢箍，成功的解決了箍筋排布困難的問題。

鑒于高層建筑在我國越來越廣泛的應(yīng)用，其建筑立面效果的要求相對過去也有了很大的提高，結(jié)構(gòu)封頂后的設(shè)備安裝也成為一大難點(diǎn)，這不但需要施工單位有完善合理的施工進(jìn)度計(jì)劃和流水作業(yè)安排，也同樣要求我們設(shè)計(jì)人員有良好的施工意識，密切結(jié)合實(shí)際操作步驟進(jìn)行圖紙作業(yè)。