探討高層建筑初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、探討高層建筑初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 摘要：近幾年來(lái)，高層建筑在我國(guó)特別是一些大城市如雨后春筍般出現(xiàn)，不斷增加。隨著高層建筑快速發(fā)展的需求，建筑的高度也日益增加，導(dǎo)致設(shè)計(jì)難度不斷增加。建筑功能及類(lèi)型也變得越來(lái)越復(fù)雜，同時(shí)結(jié)構(gòu)體系也比以前多樣化，高層建筑的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也逐漸成為工程師設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)高層初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素及結(jié)構(gòu)體系做了探討。 關(guān)鍵詞：高層建筑 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 影響因素 0 引言 高層建筑是在人民生活需求與社會(huì)生產(chǎn)的需要而出現(xiàn)的，是現(xiàn)代城市化、商業(yè)化和工業(yè)化的必然結(jié)果。隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，出現(xiàn)的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料和建筑中機(jī)械化、電氣化的實(shí)現(xiàn)，因此，提供給了高層建筑發(fā)展所

2、需要的物質(zhì)基礎(chǔ)及技術(shù)條件。但隨著高層建筑結(jié)構(gòu)高度的增加和復(fù)雜程度不斷變難，也給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多新課題與更高水平的挑戰(zhàn)。因此，如何設(shè)計(jì)一個(gè)安全的、經(jīng)濟(jì)合理的、功能齊全及舒適美觀的高層建筑， 既能符合人們精神生活的追求，又能滿足人們生產(chǎn)的需要，這是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們不得不面對(duì)及要解決的首要問(wèn)題。因此，本文簡(jiǎn)要的進(jìn)行了對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)一些要點(diǎn)的探討。 一、高層建筑初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮的因素 1.水平荷載因素 所有的建筑結(jié)構(gòu)，都要承受著垂直荷載及由風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，而本身又要具備抵抗地震作用的功能。一般的低層樓房，通常只需要考慮以重力為代表的豎向荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而由水平荷載產(chǎn)生的無(wú)論是

3、內(nèi)力還是位移都很小，結(jié)構(gòu)所受到影響也相對(duì)較??；但在高樓大廈這般建筑，盡管初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮垂直載荷的重要影響，可是對(duì)高層建筑起著決定性作用的卻是水平荷載。隨著樓層數(shù)量的不斷增加，水平荷載越發(fā)成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素。因?yàn)橐环矫妫?樓房本身重量及樓面產(chǎn)生的荷載，對(duì)垂直構(gòu)件所引起的軸力與彎矩的數(shù)值與建筑的高度成正比；而結(jié)構(gòu)受水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩及在豎直的構(gòu)件中所造成的軸力，卻與樓房高度的平方成正比；而另一方面， 對(duì)一指定高度樓房，來(lái)自垂直荷載的風(fēng)荷載及受地震作用，其數(shù)值與結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性的不同，而產(chǎn)生較大幅度的變化。某一高層結(jié)構(gòu)中，如果豎向荷載對(duì)豎構(gòu)件中發(fā)生的軸向力為n，水平荷載為q，其中對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生

4、的傾覆力矩為m，建筑高度取h，它們之間存在的關(guān)系式如下： 豎直荷載 n =wh 水平倒三角荷載 m = 1/3qh2 水平均布荷載 m = 1/2qh2 其中， w是作用在樓房每米高度上的豎向荷載（kn/m） 2.軸向變形因素 在豎向荷載大的高層建筑，其柱不僅可以導(dǎo)致比較大的軸向變形，也會(huì)造成連續(xù)梁彎矩受到很大的影響，并最終減少中間支承連續(xù)梁負(fù)彎矩值，加大跨中正彎矩值及末端軸承負(fù)彎矩值。此外， 還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件中的下料的長(zhǎng)度造成影響，因此，在下料長(zhǎng)度的調(diào)整過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)計(jì)算軸向變形的值。 3、側(cè)移因素 高層建筑和較低的或多層建筑有所不同， 在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)側(cè)移是一關(guān)鍵因素，橫向結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，

5、高層結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵的因素。隨著樓層數(shù)量的增加，結(jié)構(gòu)受水平荷載下的側(cè)向變形快速增大，同時(shí)和建筑物高度的4次成正比。目前，高層建筑的高度在增加、高強(qiáng)度輕質(zhì)材料的應(yīng)用、新結(jié)構(gòu)體系和新的建筑形式的出現(xiàn)，側(cè)向位移的快速增大，所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不但要使結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)也要有足夠強(qiáng)的抗推剛度，做到在水平荷載下結(jié)構(gòu)側(cè)移被控制在一定的限度，不然將出現(xiàn)以下情況： （1）由于側(cè)移產(chǎn)生的附加內(nèi)力較大，對(duì)豎向構(gòu)件的側(cè)向位移增大時(shí)，會(huì)造成偏心加劇，而產(chǎn)生的附加內(nèi)力值大于一定數(shù)值時(shí)，則將導(dǎo)致房屋側(cè)塌。 （2）讓人感覺(jué)不適或造成恐慌。 （3） 造成填充墻及建筑裝飾出現(xiàn)開(kāi)裂或損壞現(xiàn)象，造成電梯軌道受影響導(dǎo)致不能正常

6、操作。 （4）造成主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生裂縫，甚至受到損壞。 4.剛度比 剛度比是一個(gè)重要的指標(biāo)進(jìn)行控制垂直不規(guī)則結(jié)構(gòu)。在抗震規(guī)范及高規(guī)提出，有關(guān)軟件提供有關(guān)剛度比三種計(jì)算方式，分別是剪彎剛度、剪切剛度及地震力和對(duì)應(yīng)的層間位移比。正確對(duì)三種計(jì)算剛度比的方法及適用范圍，這是剛度比計(jì)算的關(guān)鍵所在。 二、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系 1. 框架結(jié)構(gòu)體系 在結(jié)構(gòu)體系上，早期大多數(shù)是采用框架結(jié)構(gòu)。因?yàn)樗鼘?duì)平面布置靈活且空間大，可以滿足多功能的需要，所以成為了高層建筑主要的結(jié)構(gòu)形式。但由于框架結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生的側(cè)向剛度較小，在一般節(jié)點(diǎn)連接的側(cè)風(fēng)或地震作用下，將會(huì)有出現(xiàn)較大的變形。因此，對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式在高度建設(shè)及層數(shù)結(jié)構(gòu)形式上有

7、了限制。 2.剪力墻結(jié)構(gòu)體系 在建筑的更高層數(shù)的要求下，并結(jié)合住房、公寓及酒店對(duì)單開(kāi)間的需求，就使到較高層數(shù)的剪力墻結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度良好及平面布置規(guī)整，根據(jù)功能要求，建造一個(gè)自底向上的現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻，用它來(lái)抗側(cè)風(fēng)和地震所起到的作用是很不錯(cuò)的，因此，它允許建筑物出現(xiàn)的高度明顯高于框架結(jié)構(gòu)。但注意的是墻中水平分布及豎向分布的鋼筋直徑應(yīng)大于8mm，而間距不能大于300mm，溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)力較大的位置，要適當(dāng)加粗。在水平分布的鋼筋沿墻兩個(gè)側(cè)面是要雙排式布置同時(shí)要用拉筋連系，而拉筋的直徑要大于6mm，間距又要小于600mm。鋼筋水平分布及豎向分布的最小配筋率都要達(dá)到0.2%，并在

8、重要部位要適當(dāng)有所提高。 但剪力墻結(jié)構(gòu)本身也存在缺陷，就是平面布置的靈活性較差，而且在使用上也有一定限制性。因此，它的適用范圍不是很大，只是適用于住房、公寓和酒店等建筑，現(xiàn)在我國(guó)大多數(shù)的高層住宅建筑都是采用剪力墻結(jié)構(gòu)為主。 3.框架聯(lián)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系 建筑功能它比較有靈活性，又可以滿足強(qiáng)風(fēng)與地震作用下的考驗(yàn)， 把框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，形成框架-剪力墻這一結(jié)構(gòu)體系。因?yàn)榧芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是布置靈活，而剪力墻結(jié)構(gòu)則有較好的抗側(cè)力功能，通過(guò)兩者結(jié)合后形成的結(jié)構(gòu)體系可符合一般建筑功能的要求， 設(shè)置一些剪力墻在適當(dāng)?shù)奈恢?，既符合建筑布置需要，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的需要。因此，在結(jié)合之后，框架-

9、剪力墻結(jié)構(gòu)體系有了更寬的范圍和適應(yīng)高度，是一種比較好用的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并有了廣泛應(yīng)用。 三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)造要求 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架與剪力墻截面的設(shè)計(jì)，不但要滿足框架截面設(shè)計(jì)與剪力墻截面設(shè)計(jì)的原則，還應(yīng)該重視以下要求： 1. 框架適用高度、抗震等級(jí)及高寬比的調(diào)整 在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)， 要使框架與剪力墻雙方共同承擔(dān)地震作用下對(duì)房屋的傾覆力。如果由框架承擔(dān)超過(guò)傾覆力矩的50%時(shí)，也就是說(shuō)框架部分占了主要地位。50%以上的傾覆力矩，部分描述框架已經(jīng)在主要的位置，應(yīng)加強(qiáng)抗震能力的儲(chǔ)備。合適的高度及高寬比的取值，可在框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)兩者之間取值，按框架部分所承擔(dān)的總傾覆力矩百分比而定，當(dāng)這個(gè)百

10、分比接近0時(shí)，則取接近剪力墻結(jié)構(gòu)的高寬比與適用高度，當(dāng)百分比接近100%時(shí)，則取接近框架結(jié)構(gòu)的適用高度與高寬比。 2.框架剪力墻的框架總剪力調(diào)整 在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，柱與剪力墻相比抗剪剛度是很小的，因此在地震作用下， 主要是由剪力墻來(lái)承擔(dān)起樓層因地震造成的總剪力，而框架柱承擔(dān)的只是很小一的部分，所以，框架由于地震效應(yīng)所引起的內(nèi)力是很小的，但框架是抵抗地震第二防線，不能過(guò)于單薄，為了確保框架部分具備一定的抗震能力，要求使框架部分能承擔(dān)的地震剪力不能小于一定值。然而框架剪力的調(diào)整要以樓層剪力達(dá)到樓層最小剪力系數(shù)為前提，才能去進(jìn)行調(diào)整。 四、 結(jié)束語(yǔ) 高層建筑設(shè)計(jì)難度及復(fù)雜性要比普通的多層建筑難得多，不管是建筑的使用功能還是結(jié)構(gòu)安全性、體系合理性及設(shè)備配套等都有著更高的要求。同時(shí)結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)如何才能做得更好，這是我們應(yīng)該繼續(xù)深入研究的課題，所以我們要通過(guò)總結(jié)過(guò)去的設(shè)計(jì)經(jīng)