摘要：隨著城市化發(fā)展以及建筑用地的緊張，高層建筑將日益增多。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅應(yīng)保證高層建筑具有足夠的安全性，還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性。本文通過從高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)出發(fā)，探討了在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的三個(gè)問題。

　　關(guān)鍵詞：高層建筑  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　1 前言

　　高層建筑是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的產(chǎn)物。隨著大城市的發(fā)展，城市用地緊張，市區(qū)地價(jià)日益高漲，促使近代高層建筑的出現(xiàn)，電梯的發(fā)明更使高層建筑越建越高。宏偉的高層建筑是經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，具有重要的宣傳效應(yīng)，在日益激烈的商業(yè)競爭中，更扮演了重要的角色。

　　2 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇

　　高層建筑結(jié)構(gòu)是否合理、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵就是高層建筑抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的選擇是否合理，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系有框架、剪力墻、框架－剪力墻、框架－核心筒、筒中筒等。對(duì)結(jié)構(gòu)選型來說，沒有普遍使用的選擇標(biāo)準(zhǔn)，往往是隨著建筑的環(huán)境、功能要求有所變化，每一選擇都有其優(yōu)劣這就需要結(jié)構(gòu)工程師認(rèn)真地對(duì)比和考慮。例如：框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活，構(gòu)件類型少，設(shè)計(jì)和施工都較簡單，但其抗側(cè)剛度小，當(dāng)建筑較高時(shí)，梁柱截面大，影響室內(nèi)使用空間；剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，抗側(cè)剛度大，側(cè)移小，但其平面布置不靈活，一般適用住宅及旅館；而框架－剪力墻結(jié)構(gòu)則綜合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并可以設(shè)計(jì)成雙重抗側(cè)力體系，框架－剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要注意的就是剪力墻的布置要均勻，剛心與質(zhì)心重合或相近，且剪力墻數(shù)量不宜過多，滿足規(guī)范的側(cè)移限值即好。框架－核心筒的受力性能與框架－剪力墻相同，由于外框架間距大，使得建筑空間大而靈活，采光好，是高層公共建筑和辦公用房的理想選擇，在高度較高時(shí)，還可以加伸臂減小側(cè)移。筒中筒結(jié)構(gòu)由于柱距小近年已較少應(yīng)用。

　　3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　3.1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，以及由此在豎構(gòu)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)某一定高度樓房來說，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。

　　3.2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，跨中正彎矩之和端支座負(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；另外軸向變形對(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。

　　3.3側(cè)移成為控制指標(biāo)。與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。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)。

　　3.4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，高樓結(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。

　　4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

　　4.1以承載力、剛度、延性為主導(dǎo)目標(biāo)，實(shí)施多道防線、剛?cè)峤Y(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。即應(yīng)具有一定大的剛度和承載力來抵御風(fēng)荷載和小震，隨著第一道防線破壞，結(jié)構(gòu)變?nèi)岷笕杂凶銐虼蟮膹椝苄宰冃文芰�和延性耗能能力來抵御未來可能遭遇的罕遇大震�?/p>

　　4.2在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，應(yīng)該運(yùn)用最簡單、最直接、概念最清楚的計(jì)算方法，將結(jié)構(gòu)的受力與傳力途徑設(shè)計(jì)成簡單、直接、明確。盡可能避免出現(xiàn)以抗扭為主導(dǎo)的關(guān)鍵性傳力構(gòu)件。

　　4.3盡可能使結(jié)構(gòu)平面布置的正交抗側(cè)力剛度中心(簡稱剛心)和建筑物表面力(風(fēng)力)作用中心或質(zhì)量重心(質(zhì)心)靠近或重合，以避免或減小在風(fēng)荷載或地震作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

　　4.4建筑物豎向布置的抗側(cè)力剛度構(gòu)件也最好設(shè)計(jì)成均勻、連續(xù)，避免出現(xiàn)軟弱層和上下層間的剪切剛度、彎曲剛度和軸壓剛度的突變。

　　4.5應(yīng)重視上部結(jié)構(gòu)與其支承結(jié)構(gòu)整體共同作用的機(jī)理，即傳力與受力結(jié)構(gòu)兩者之間的共同作用；例如，在高層建筑的箱基和筏基的底板設(shè)計(jì)中，計(jì)算軟件無法進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)－地下室－地基基礎(chǔ)的相互作用分析，計(jì)算出來的底板內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于底板實(shí)際受到的內(nèi)力。

　　5 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路

　　高層建筑結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算已基本告別傳統(tǒng)的手工計(jì)算而采用計(jì)算機(jī)程序計(jì)算，基本上都采用三維空間結(jié)構(gòu)分析計(jì)算程序。常用的計(jì)算分析模型有：空間桿-薄壁桿件分析模型、空間桿-墻組元模型及空間桿-殼元分析模型。 有些程序可考慮樓板變形進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，能更真實(shí)反映復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。除可進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算外，有些計(jì)算分析軟件還可進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的計(jì)算。彈性動(dòng)力時(shí)程分析的程序已相當(dāng)成熟，一般以層模型進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，可輸入各種類型的地震波，求得結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力。彈塑性分析計(jì)算近幾年已開始進(jìn)行，已初步開發(fā)出一些可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的程序，包括彈塑性靜力分析、層模型動(dòng)力分析、桿模型平面結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析等程序。

　　此外我國對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了大量的研究工作。從1974年開始對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，逐步形成了高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系；為適應(yīng)高層住宅底部設(shè)置商業(yè)服務(wù)設(shè)施等要求，從1980年開始進(jìn)行了底層大空間，上層為大開間剪力墻結(jié)構(gòu)體系的研究。進(jìn)入八十年代，為完善筒體結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法與設(shè)計(jì)，我國進(jìn)行了一些復(fù)雜的筒中筒結(jié)構(gòu)的有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)。近年來對(duì)復(fù)雜體型的高層建筑如帶有轉(zhuǎn)換層、剛性層的結(jié)構(gòu)錯(cuò)層結(jié)構(gòu)、連體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了一批模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。為了解鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的抗震性能，進(jìn)行了帶有轉(zhuǎn)換層、剛性層的鋼筋混凝土內(nèi)筒、周邊為鋼框架的模型試驗(yàn)。另外對(duì)復(fù)雜體型的高層建筑進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。通過試驗(yàn)研究與分析，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議，并作為規(guī)范條文修訂的依據(jù)。

　　在總結(jié)科研、設(shè)計(jì)、施工的基礎(chǔ)上，1980年頒布施行了我國自行編制的《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)定(JZ102-79)》，通過實(shí)踐應(yīng)用又積累了更多的經(jīng)驗(yàn)，在1991年修改為《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程(JGJ3-91)》。九十年代以來由于鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)的興建，1998年我國編制了《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ99-98)》。由于體型復(fù)雜的高層建筑增多及超過200米的超高層建筑的出現(xiàn)，需對(duì)《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程(JGJ3-91)》進(jìn)行修訂，修訂后名稱為《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2002)》，內(nèi)容包括：總則、荷載和地震作用、常規(guī)高度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)定、結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、高層建筑結(jié)構(gòu)施工等，更適合高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。其中按建筑物的高度、結(jié)構(gòu)體系、抗震設(shè)防烈度可確定各類構(gòu)件的抗震等級(jí)，從而按各類構(gòu)件的延性要求，確定各構(gòu)件的截面配筋設(shè)計(jì)及構(gòu)造要求，以確保其良好的抗震性能。最近又根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，及參考有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，在廣泛征求意見的基礎(chǔ)上，修訂了《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3-2010)》，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)有了更好的規(guī)范和指導(dǎo)作用。

　　6 高層建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

　　在高層建筑的抗震設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)的思想也得到延伸，所以結(jié)構(gòu)工程師必須對(duì)結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理有深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)地震試驗(yàn)研究成果有一定的理解，這樣才能從概念上作出判斷，并采取措施。我國的抗震設(shè)防目標(biāo)是"小震不壞，中震可修，大震不倒"。抗震結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須有足夠大的承載能力，足夠的剛度、延性和耗能能力，以達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。在同一地震作用下，剛度小的結(jié)構(gòu)變形大，剛度大的結(jié)構(gòu)變形小，所以，對(duì)同種材料而言，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)比設(shè)置了剪力墻的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重。另外，建筑的體型和結(jié)構(gòu)總體布置也是在抗震設(shè)計(jì)值得特別重視的，平面形狀上宜簡單、對(duì)稱、避免過多的外伸、內(nèi)凹、避免細(xì)腰

　　形和角部重疊平面；電梯、樓梯的布置盡量避免布置在端角和凹凸處；避免錯(cuò)層布置等。建筑立面也應(yīng)是規(guī)則、均勻、從上到下外形變化不大，沒有過多的外挑內(nèi)收，避免突變。還有一點(diǎn)就是建筑的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與建筑主體結(jié)構(gòu)必須存在可靠連接，使其在地震時(shí)不脫落，以免發(fā)生倒塌傷人。

　　7 結(jié)語

　　隨著高層建筑進(jìn)一步的發(fā)展，滿足高層建筑的形式，材料，力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜多元，為了革新高層建筑，體現(xiàn)其魅力，追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型將是土木工程師們的目標(biāo)和方向。

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