淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題與分析

1、淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題與分析    隨著高層建筑在我國的迅速發(fā)展，復(fù)雜的不規(guī)則高層建筑越來越多，如何正確進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)計算，以滿足新規(guī)范的要求，也越來越成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計工作的主要重點和難點之所在。一、高層建筑的結(jié)構(gòu)體系（一）框架一剪力墻體系從結(jié)構(gòu)體系上看由于它平面布置靈活，空間大，能適應(yīng)較多功能的需要，當(dāng)框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來代替因此成為高層建筑的主要結(jié)構(gòu)形式。但是，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，在一般節(jié)點連接情況下，當(dāng)承受側(cè)向的風(fēng)力或地震作用時，將會有較大的變形。因此，限制了這種結(jié)構(gòu)形式的建

2、造高度和層數(shù)但是在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。（二）剪力墻結(jié)構(gòu)體系為了滿足更高層數(shù)的要求，出現(xiàn)了較高層數(shù)的剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)具有良好的側(cè)向剛度和規(guī)整的平面布置，按照功能要求，設(shè)置自下而上的現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻，對抵抗側(cè)向風(fēng)力和地震作用是十分有利的，剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu)，其位移曲線呈彎曲型。，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結(jié)構(gòu)體系因此它允許建造的高度遠遠高于框架結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)的不足之處在于，平面布置的靈活性較差，使用上也受到一定限制。目前全國各地的大量高層住宅建筑，絕大多數(shù)均采用剪力墻結(jié)構(gòu)。（三）簡體體系筒體

3、結(jié)構(gòu)是近年來發(fā)展起來的新體系，凡采用簡體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡體體系，它的出現(xiàn)滿足了高層建筑更高層數(shù)的要求，包括單簡體、簡體一框架、筒中筒、多束筒等多種形式。簡體是一種空間受力構(gòu)件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。二、 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點（一）因為在高層建筑中結(jié)構(gòu)處于豎向荷載和水平荷載的共同作用下工作而樓房自重和樓面使用荷載在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的值，僅與樓房高度的一次方成正比而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎向構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；隨著建

4、筑物高度的增加，高寬比的加大，盡管豎向荷載對結(jié)構(gòu)設(shè)計仍產(chǎn)生重要影響，但水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力愈來愈大，將成為結(jié)構(gòu)設(shè)計時的主要控制因素，起著決定性的作用，成為確定結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵性因素。因此，結(jié)構(gòu)的設(shè)計是由水平荷載控制的。在水平荷載中，地震作用是動力作用，而風(fēng)力作用則包含靜力作用和動力作用。高層建筑對風(fēng)的動力作用比較敏感，風(fēng)振作用成為結(jié)構(gòu)分析中不容忽視的因素。在地震區(qū)，高層建筑往往受地震作用控制，所以計算地震對結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)是高層建筑分析的重要內(nèi)容。   （二）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，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁

5、中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩和湍支座負(fù)彎矩值增大；還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整：另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，會得出偏于不安全的結(jié)果。（三） 位移成為控制指標(biāo)高層建筑尤其是超高層建筑,頂點位移限值決定的不僅是其數(shù)值大小而且還有其振動頻率;防止結(jié)構(gòu)由于變形過大而可能遭受損壞或破壞的控制因素是層間相對位移,而其限值在現(xiàn)行規(guī)范中似偏嚴(yán),可予放松。（四）結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標(biāo)相對于較低樓房而言，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。因此,設(shè)計時結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小,變化均勻,連續(xù),不要變。當(dāng)出現(xiàn)了豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)時,我們

6、應(yīng)考慮多種因素的精確分析方法,最好進行彈塑性時程分析,合理確定軟弱樓層的塑性集中變形,采取增大樓層結(jié)構(gòu)延性等措施,提高其變形能力。同時,高層建筑的抗水平力構(gòu)件應(yīng)沿房屋周邊布置,以便能提供足夠大的扭轉(zhuǎn)力矩構(gòu)件沿周邊布置形成空間結(jié)構(gòu)后,也可提供較大的抗傾覆力矩來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題（一）結(jié)構(gòu)選型對于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，在工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)選型階段應(yīng)注意以下幾點：1、結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件。而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案?！币虼?，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條

7、件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作的被動。2、結(jié)構(gòu)的超高問題對于超高限建筑物, 應(yīng)當(dāng)采取科學(xué)謹(jǐn)慎的態(tài)度。因為在地震力作用下,超高限建筑物的變形破壞性態(tài)會發(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。3、嵌固端的設(shè)置問題不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)中某些構(gòu)件內(nèi)力分配的準(zhǔn)確性, 而且還影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移的真實性, 以及結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟性,由于高層建筑一般都帶有地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，高層建筑在進行結(jié)構(gòu)分析計算之前必須首先確定結(jié)構(gòu)嵌

8、固端的所在位置,在這個問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師需要注意如下幾個方如：嵌固端樓板的設(shè)計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計算時嵌固端的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等（二） 地基與基礎(chǔ)設(shè)計對高層建筑來說，在抗震設(shè)計中，房屋的高寬比是一個需慎重考慮的問題。不僅僅由于該階段設(shè)計過程的好與壞將直接影響后期設(shè)計工作的進行，同時，也是地基基礎(chǔ)整個工程造價的決定性因素，在這一階段，所出現(xiàn)的問題也有可能更加嚴(yán)重甚至造成無法估量的損失。在地基基礎(chǔ)設(shè)計中要注意地方性規(guī)范的重要性問題。由于我國占地面積較廣，地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范無法對全國各地的地基基礎(chǔ)都進行詳細(xì)的

9、描述和規(guī)定，因此，作為建立在國家標(biāo)準(zhǔn)之下的地方標(biāo)準(zhǔn)，地方性的“地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范”能夠?qū)⒏鞯胤降牡鼗A(chǔ)類型和設(shè)計處理方法等一些成熟的經(jīng)驗描述和規(guī)定得更為詳細(xì)和準(zhǔn)確，所以，在進行地基基礎(chǔ)設(shè)計時，一定要對地方規(guī)范進行深入地學(xué)習(xí)，以避免對整個結(jié)構(gòu)設(shè)計或后期設(shè)計工作造成較大的影響。（三）結(jié)構(gòu)計算與分析在結(jié)構(gòu)計算與分析階段，如何準(zhǔn)確，高效地對工程進行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進行設(shè)計和處理，首先基本選定結(jié)構(gòu)方案后,緊接著就是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心部分結(jié)構(gòu)計算由于新規(guī)范的推出對結(jié)構(gòu)整體計算和分析部分內(nèi)容進行了調(diào)整和改進。因此，對這一階段比較常見的問題應(yīng)該有一個清晰的認(rèn)識。接著根據(jù)所選取的結(jié)構(gòu)體系,選用準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)模

10、型和選取正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件通用的計算軟件有SATWE、TAT、TBSA等，結(jié)構(gòu)計算開始前,設(shè)計人員先要根據(jù)規(guī)范的具體規(guī)定和軟件手冊對參數(shù)意義的描述,以及根據(jù)工程的實際情況,對結(jié)構(gòu)參數(shù)和特殊構(gòu)件進行正確設(shè)置。1、周期折減系數(shù)在高層結(jié)構(gòu)中設(shè)置了非結(jié)構(gòu)的砌體填充墻, 在結(jié)構(gòu)計算時應(yīng)考慮其對主體結(jié)構(gòu)的影響。周期的折減應(yīng)考慮到門窗洞口的設(shè)置對周期的影響,不同的結(jié)構(gòu)類型和填充墻的多少也決定了周期折減系數(shù)的取值, 而不能一概而論。2、振型數(shù)目是否足夠陣型數(shù)的多少與結(jié)構(gòu)的層數(shù)有關(guān), 對振型的取值都有較為明確的規(guī)定。在新規(guī)范中增加一個振型參與系數(shù)的概念，并明確提出了該參數(shù)的限值。因此, 在計算分析階段, 根據(jù)規(guī)范要