復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

1、 復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)摘要：由于城市空間逐漸縮小，土地資源越發(fā)稀缺，高層建筑的需求越來越廣。一批現(xiàn)代高層建筑以全新的面貌呈現(xiàn)在人們面前。這些建筑的結(jié)構(gòu)一般都是不規(guī)則的，有些是特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。復(fù)雜高層與普通結(jié)構(gòu)相比在設(shè)計上有許多要特別注意的地方。本文將對復(fù)雜高層建筑的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意事項進(jìn)行概要介紹。關(guān)鍵詞：復(fù)雜高層；不規(guī)則；結(jié)構(gòu)設(shè)計中圖分類號：s611文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：前言：伴隨著社會的快速發(fā)展，一批現(xiàn)代高層建筑以全新的面貌呈現(xiàn)在人們面前。建筑師在建筑造型以及建筑多功能、多用途等方面通過創(chuàng)新，設(shè)計出了眾多體型復(fù)雜和內(nèi)部空間多變的高層建筑。這些建筑的結(jié)構(gòu)一般都是不規(guī)則的，有些是特

2、別不規(guī)則結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)工程師遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。經(jīng)過多年的研究和工程實踐，盡可能地解決各種結(jié)構(gòu)難題。從而陸續(xù)產(chǎn)生了能適應(yīng)建筑師創(chuàng)新意識的多種復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系。盡管當(dāng)今已建成了大量復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，并且有一定的試驗和理論研究作為依據(jù)，但經(jīng)受過強(qiáng)地震作用檢驗的結(jié)構(gòu)為數(shù)不多。因此，在地震區(qū)采用復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減少其不規(guī)則性，對房屋高度也要有所控制。本文將著重介紹最常見的幾種復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計要點(diǎn)：一 帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)多功能的高層建筑，往往需要沿建筑物的豎向劃分為不同用途的區(qū)段，這些建筑的豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件往往不能上下連續(xù)，需要設(shè)置轉(zhuǎn)換層，通過轉(zhuǎn)換構(gòu)件實現(xiàn)上、下豎向構(gòu)件的過渡。帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)屬于豎

3、向剛度突變及豎向構(gòu)件不連續(xù)的不規(guī)則結(jié)構(gòu)體系。 帶轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項：1該體系應(yīng)有足夠的上、下連續(xù)的落地剪力墻或筒體。2對于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層高度是影響其抗震性能的主要因素之一，轉(zhuǎn)換層高度越高，轉(zhuǎn)換層上下層間位移角及內(nèi)力突變越明顯，設(shè)計時應(yīng)限制轉(zhuǎn)換層設(shè)置高度。3轉(zhuǎn)換層與其上層的側(cè)向剛度比對結(jié)構(gòu)抗震性能有一定影響。對轉(zhuǎn)換層位置較低的帶轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)，控制側(cè)向剛度比可以控制轉(zhuǎn)換層附近的層間位移角及內(nèi)力。4對轉(zhuǎn)換層位置較高的帶轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)，僅僅控制轉(zhuǎn)換層上、下樓層的側(cè)向剛度比是不夠的，還應(yīng)控制轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)的等效剛度比。轉(zhuǎn)換層上部與下部結(jié)構(gòu)等效剛度比越大，轉(zhuǎn)換層上下層間位移角及內(nèi)力突

4、變情況越明顯。二 連體結(jié)構(gòu)兩幢或幾幢高層建筑之間由架空連接體相互連接，以滿足建筑造型及使用功能的要求。連接體的跨度有幾米長，也有幾十米長;連接體沿建筑物豎向有布置一個的，也有布置幾個的。連體結(jié)構(gòu)因為通過連接體將不同結(jié)構(gòu)連在一起，體型比一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此連體結(jié)構(gòu)的受力比一般單體結(jié)構(gòu)或多塔樓結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。連體結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大，且豎向與水平地震組合作用對連接體及其附近主體結(jié)構(gòu)有不利影響。連體結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)關(guān)注以下幾個方面的問題：1較之其他體型結(jié)構(gòu)，連體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動變形較大，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較明顯，應(yīng)引起重視。扭轉(zhuǎn)效應(yīng)隨塔樓的不對稱性的增加而加劇。即使對于對稱雙塔連體結(jié)構(gòu)，由于連接體樓板變形，兩

5、塔樓除有同向的平動外，還很有可能產(chǎn)生兩塔樓的相向運(yùn)動，該振動形態(tài)是與整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振型藕合在一起的。對于多塔連體結(jié)構(gòu)，因體型更為復(fù)雜，振動形態(tài)也將更復(fù)雜，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更加明顯。2連接體部分是連體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，其受力較復(fù)雜。3連接體結(jié)構(gòu)與兩側(cè)塔樓的支座連接是連體結(jié)構(gòu)的另一關(guān)鍵問題，連接處理方式一般根據(jù)建筑方案與布置來確定，可以有剛性連接、鉸接、滑動連接等，每種連接方式的處理方式不同，但均應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析與設(shè)計。當(dāng)連接體結(jié)構(gòu)包含多層樓蓋，且連接體結(jié)構(gòu)剛度足夠，能將主體結(jié)構(gòu)連接為整體協(xié)調(diào)受力、變形時，可做成強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)，兩端剛接、兩端鉸接的連體結(jié)構(gòu)屬于強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)。如果連接體結(jié)構(gòu)較弱(如連廊結(jié)構(gòu))，無法協(xié)調(diào)

6、連接體兩側(cè)的結(jié)構(gòu)共同工作，此時可做成弱連接，即連接體一端與結(jié)構(gòu)鉸接，一端做成滑動支座，或兩端做成滑動支座，此時應(yīng)重點(diǎn)考慮滑動支座的作法，限復(fù)位裝置的構(gòu)造，并應(yīng)提供滑動支座的預(yù)計滑移量。三 豎向收進(jìn)和懸挑結(jié)構(gòu)因建筑造型和功能的需要，高層建筑沿豎向收進(jìn)的情況是經(jīng)常出現(xiàn)的;懸挑結(jié)構(gòu)的高層建筑比較少。這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系豎向剛度突變，高振型影響較大，懸挑結(jié)構(gòu)還受豎向地震作用的影響，且對高層建筑主體部分會附加較大的傾覆力矩。對于這類結(jié)構(gòu)設(shè)計要注意以下幾方面：1結(jié)構(gòu)體型收進(jìn)會造成結(jié)構(gòu)豎向剛度的不連續(xù)，在體型收進(jìn)處結(jié)構(gòu)的層間位移會有突變，豎向構(gòu)件的內(nèi)力也會明顯增大，對結(jié)構(gòu)抗震不利。當(dāng)體型收進(jìn)較大時，結(jié)構(gòu)的突變會

7、比較嚴(yán)重，內(nèi)力放大較多，應(yīng)盡量避免;設(shè)計中應(yīng)加強(qiáng)豎向構(gòu)件的配筋，保證在地震作用下不喪失豎向承載能力。2在大底盤多塔樓結(jié)構(gòu)中，塔樓的首層是內(nèi)力突變的部位，應(yīng)特別加強(qiáng)，尤其注意避免這一層的剛度再小于上一層的剛度，造成薄弱層。3結(jié)構(gòu)收進(jìn)如果造成偏心，底部結(jié)構(gòu)會因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響而內(nèi)力加大，底部結(jié)構(gòu)的周邊構(gòu)件應(yīng)加強(qiáng)配筋;裙房頂板應(yīng)適當(dāng)加厚，配筋也應(yīng)加強(qiáng)。4懸挑結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)的上部體型大于下部體型，上部結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量大于下部結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著，同樣屬于豎向不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。因懸挑結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)冗余度低，這樣的結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)該予以足夠的重視。懸挑結(jié)構(gòu)根部的梁與懸挑梁的受力情況類似，不應(yīng)進(jìn)行調(diào)幅。四 帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)高層建筑框

8、架一核心筒或巨型外框一內(nèi)筒結(jié)構(gòu)中，有時需要布置若干個加強(qiáng)層，以提高整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，使其滿足設(shè)計要求。帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)體系對抗風(fēng)是十分有效的，但是在加強(qiáng)層及其附近樓層，結(jié)構(gòu)的剛度和內(nèi)力均發(fā)生突變，在設(shè)置加強(qiáng)層后核心筒墻肢沿高度彎矩圖發(fā)生急劇變化，在加強(qiáng)層的上、下幾層彎矩大幅度增加，核心筒墻肢的剪力在加強(qiáng)層的上、下幾層同樣有較大幅度的增加。外圍框架柱在地震作用下所受內(nèi)力的突變柱的軸力在加強(qiáng)層的下層突然增大，柱的彎矩和剪力在加強(qiáng)層的上、下均急劇增加這些均對結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生不利影響。在確定加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)方案時，需重點(diǎn)研究加強(qiáng)層的數(shù)量、伸臂結(jié)構(gòu)形式和剛度以及周邊帶狀析架的設(shè)置等問題。五 平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則結(jié)

9、構(gòu)體系在地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大，部分樓蓋整體性及承載力較差，結(jié)構(gòu)的某些部位應(yīng)力集中、非線性變形較大、易形成薄弱部位。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，是結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則中最重要的控制指標(biāo)，它主要有兩項結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)特性指標(biāo)：扭轉(zhuǎn)變形指標(biāo)和扭轉(zhuǎn)剛度指標(biāo)，需作專門的分析和計算。a.扭轉(zhuǎn)變形指標(biāo)：判別結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的扭轉(zhuǎn)變形，是質(zhì)量、剛度、平面分布確定后結(jié)構(gòu)固有特性?？刂平Y(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形的實質(zhì)是，控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形要小于結(jié)構(gòu)平動變形，控制地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動效應(yīng)不成為主振動效應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞。b扭轉(zhuǎn)周期指標(biāo)： 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型及周期是其扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)慣量分布大小的綜合反映。任何情況下，當(dāng)扭轉(zhuǎn)振型發(fā)展成為整個結(jié)構(gòu)第一振型時，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛

10、度小，轉(zhuǎn)動慣量大，扭轉(zhuǎn)振動成為主振型，對結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)均十分不利，都是不允許的。大量震害表明，地震作用下扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)脆性破壞。高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置來盡量滿足扭轉(zhuǎn)規(guī)則性要求，其主要方法是:1在允許情況下，將較長的建筑物(主體結(jié)構(gòu)長度大于60m)通過伸縮縫兼防震縫將其切割成若干個規(guī)則子結(jié)構(gòu)，既可有利于減少水平溫差收縮影響，又可有利于避免結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)，減少結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形。2盡量加強(qiáng)周邊主體結(jié)構(gòu)，同時適當(dāng)弱化內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度，有利于縮短扭轉(zhuǎn)周期，減少扭轉(zhuǎn)變形。3對于一些建筑功能特殊要求的復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，突破扭轉(zhuǎn)不規(guī)則指標(biāo)時。一方面可采用基于性能的抗震設(shè)計或其他設(shè)計方法來

11、予以加強(qiáng)，實現(xiàn)預(yù)定性能的抗震設(shè)防目標(biāo)，另方面仍應(yīng)對不規(guī)則性加以適當(dāng)控制，避免因?qū)嶋H結(jié)構(gòu)工作性能太差，地震作用不確定性而引起破壞。結(jié)語：盡管各種復(fù)雜體系變化多樣，但結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心目標(biāo)是調(diào)整結(jié)構(gòu)的構(gòu)件的局部剛度和結(jié)構(gòu)體系的整體剛度使其滿足受力和穩(wěn)定的要求。進(jìn)而對舒適度進(jìn)行控制，使其滿足建筑功能方面的各項要求。參考文獻(xiàn)：（1）jgj3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程【s】（2）劉慶林，傅學(xué)怡體型收進(jìn)斜撐轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)研究應(yīng)用【j】土木工程學(xué)報，2006，(2)（3）劉華新、孫志屏、孫榮書： 抗震概念設(shè)計在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用， 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007(2) （4）于險峰： (高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計， 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(1)（5）高層建筑鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程cecs230：2008注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用pdf形式查看。內(nèi)容總