摘要: 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人民生活的迅速提高。業(yè)主及建筑師的創(chuàng)新藝術(shù)使得高層建筑發(fā)展被廣泛應(yīng)用。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給工程設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，本文就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的常見問題進(jìn)行一些探討。

　　關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì)師評(píng)職論文,發(fā)表論文期刊網(wǎng),高層建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),常見問題

　　高層建筑隨著城市化的發(fā)展越來(lái)越多樣化，而出現(xiàn)的問題也更加復(fù)雜。隨著層數(shù)和建筑高度增加，利用結(jié)構(gòu)空間作用，又發(fā)展了框架—簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)中簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)、多簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)體系。高層建筑結(jié)構(gòu)的承載能力、側(cè)移剛度、抗震性能、材料用量和造價(jià)高低，與其采用結(jié)構(gòu)體系有著密切關(guān)系。不同結(jié)構(gòu)體系，適用于不同層數(shù)、高度和功能的建筑。在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水平力是控制的主要因素，在地震區(qū)水平力是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的決定因素。剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、周期短、地震作用大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度。總之，伴隨著建筑類型與功能越來(lái)越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系更加多樣化，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)工作的主要重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

　　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在豎向構(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,以及由此在豎向構(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(lái)說(shuō)，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。

　　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)梁中問支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大;還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整;另外對(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.側(cè)移成為控制指標(biāo)

　　與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(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)。

　　4.構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　相對(duì)于較低樓房而言，高層建筑結(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�，�?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

　　二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要步驟

　　二、

　　1.確定合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

　　在進(jìn)行高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、荷載的具體分布、上部的結(jié)構(gòu)類型以及相鄰建筑的影響和施工條件等各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，選擇合理性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，地基的潛力要充分發(fā)掘，如有必要要對(duì)地基的變形進(jìn)行計(jì)算。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中，地質(zhì)勘察材料就已經(jīng)完整的形成，如果建筑缺乏相應(yīng)的地質(zhì)報(bào)告，則要到現(xiàn)場(chǎng)查看，鄰近的建筑物資料也可作為參考。

　　2.確定最佳結(jié)構(gòu)方案

　　一個(gè)成功的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一定是最經(jīng)濟(jì)、最合理的方案。結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)不但要明確其受力，還要便于傳力，不同的結(jié)構(gòu)體系不可混用于相同的結(jié)構(gòu)單元。所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)講地，工程的設(shè)計(jì)要求、施工情況以及材料供應(yīng)等均要作用綜合分析的因素，與水、電、暖等同時(shí)進(jìn)行協(xié)商，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的選型，最終確定出最佳方案。

　　3.確定適用的計(jì)算簡(jiǎn)圖

　　結(jié)構(gòu)計(jì)算是以計(jì)算簡(jiǎn)圖為基礎(chǔ)的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中因?yàn)橛?jì)算簡(jiǎn)圖的不合理而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全的問題時(shí)有發(fā)生，因此，計(jì)算簡(jiǎn)圖的適用性、合量性也是保證結(jié)構(gòu)安全的重要因素之一。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不是單純的剛結(jié)，因此計(jì)算簡(jiǎn)圖要有相應(yīng)的構(gòu)造來(lái)保證，不過(guò)其誤差不可超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。

　　4.分析計(jì)算結(jié)果

　　現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于其軟件種類眾多，不同類型的軟件由于其算法不同，有可以得出不同的計(jì)算結(jié)果。因此設(shè)計(jì)人員在利用計(jì)算時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)程序和某個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況不符，或者存在人工輸入的錯(cuò)誤，甚至軟件自身的缺陷等都要及時(shí)查找原因并糾正，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　5.采用合理的構(gòu)造方法

　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要對(duì)構(gòu)件的延性尤為注意，對(duì)其薄弱位置更加關(guān)注。鋼筋錨固的長(zhǎng)度要注意，尤其是鋼筋直線段的錨固長(zhǎng)度，而且溫度應(yīng)力對(duì)其所造成的影響也要考慮進(jìn)去。此外，平面、立面的布置要遵循對(duì)稱、均勻、規(guī)范的原則，盡量不要出現(xiàn)薄弱部分，并且要通過(guò)極限狀態(tài)做驗(yàn)算。

　　三、選擇合理的結(jié)構(gòu)體系問題

　　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(dòng)，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強(qiáng)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(jì)方案。”因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作被動(dòng)。

　　2.結(jié)構(gòu)的超高問題

　　在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問題，除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為a級(jí)高度的建筑外，增加了b級(jí)高度的建筑，因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為b級(jí)高度建筑甚或超過(guò)了b級(jí)高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。

　　3.嵌固端的設(shè)置問題

　　由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，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，在這個(gè)問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來(lái)的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級(jí)的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)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)等等問題，而忽略其中任何一個(gè)方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改或埋下安全隱患。

　　4.短肢剪力墻的設(shè)置問題

　　在新規(guī)范中，對(duì)墻肢截面高厚比為5-8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制，因此，在高層建筑設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設(shè)計(jì)工作增加不必要的麻煩。

　　四、正確認(rèn)識(shí)高層建筑的受力問題

　　選擇合理的結(jié)構(gòu)類型高層建筑從本質(zhì)上講是一個(gè)豎向懸臂結(jié)構(gòu), 垂直荷載主要使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向力與建筑物高度大體為線性關(guān)系; 水平荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩。從受力特性看, 垂直荷載方向不變,隨建筑物的增高僅引起量的增加;而水平荷載可來(lái)自任何方向, 當(dāng)為均布荷載時(shí), 彎矩與建筑物高度呈二次方變化。從側(cè)移特性看, 豎向荷載引起的側(cè)移很小, 而水平荷載當(dāng)為均布荷載時(shí), 側(cè)移與高度成四次方變化。由此可以看出, 在高層結(jié)構(gòu)中, 水平荷載的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直荷載的影響, 水平荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素, 結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩、剪力以及拉應(yīng)力和壓應(yīng)力應(yīng)有較大的強(qiáng)度外, 同時(shí)要求結(jié)構(gòu)要有足夠的剛度, 使隨著高度增加所引起的側(cè)向變形限制在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)。

　　五、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問題

　　建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求建筑三心盡可能匯于一點(diǎn)，即三心合一。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用而發(fā)生的扭轉(zhuǎn)破壞，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。

　　在水平荷載作用下，高層建筑扭轉(zhuǎn)作用的大小取決于質(zhì)量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，應(yīng)使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡(jiǎn)單平面形式。在某些情況下，由于城市規(guī)劃對(duì)街道景觀的要求以及建筑場(chǎng)地的限制，高層建筑不可能全部采用簡(jiǎn)單平面形式，當(dāng)需要采用不規(guī)則l形、t形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時(shí)，應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，同時(shí)，在結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)處于對(duì)稱狀態(tài)。

　　六、軸向變形問題

　　任何建筑結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生的位移都包括彎曲、軸向變形和剪切變形三部分。在低層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常只考慮彎曲變形，而忽略鈾向變形和剪切變形的影響，因?yàn)橐话憬Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的軸力和剪力產(chǎn)生影響較小，可不考慮。而高層建筑由于層數(shù)多、軸力大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會(huì)對(duì)高層結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生很大影響。此外，高層結(jié)構(gòu)中的剪力墻的截面也往往很大。因此，剪切變形的影響不可忽略。

　　采用框架體系和框架—剪力墻體系的高層建筑中，框架中柱的軸向壓力往往大于邊柱的鈾向壓力，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(huì)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)彎矩值增大。故在高層建筑設(shè)計(jì)中，軸向變形不能不考慮。

　　在高層建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算中，根據(jù)所選計(jì)算手段，所計(jì)算的構(gòu)件變形因素是有區(qū)別的。對(duì)于簡(jiǎn)化助手計(jì)算方法，一般只計(jì)算最基本的變形。采用計(jì)算機(jī)方法計(jì)算時(shí)，計(jì)算的變形因素要多一些。當(dāng)用空間協(xié)同工作方法時(shí)，考慮了梁的彎曲、剪切變形，考慮了柱、剪力墻的彎曲、剪切和軸向變形;當(dāng)用完全的三維空間分析方法時(shí)，除考慮了前面全部變形外，還增加了梁、柱、剪力墻的扭轉(zhuǎn)變形，以及剪力墻墻體截面的翹曲變形。

　　七、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震問題

　　地震是難以預(yù)測(cè)以及精確計(jì)算的，地震作用而使建筑物承受的力，因地震作用的大小、地基的堅(jiān)固度，以及建筑物固有的周期而異。地震作用的大小被評(píng)估為靜態(tài)的水平力，通常都會(huì)隨著建筑物的高度的增加，建筑物水平力的比例就會(huì)變小。對(duì)于某一方向的地震作用，相同方向的抗震要素的抵抗，會(huì)與其剛度成正比。

　　1.施加于建筑物的地震作用

　　由震源傳來(lái)的地震波，當(dāng)?shù)乇砀浇�的地基越軟弱時(shí)就越會(huì)增強(qiáng)，而且隨著建筑物增高及固有周期變長(zhǎng)時(shí)，搖動(dòng)的力就變小，而且越到建筑物的上方樓層，搖動(dòng)的力(加速度)就有變大的傾向。基于這些因素的考慮，定出施加于建筑物的地震作用，這被當(dāng)作施加于建筑物各樓層的水平力來(lái)評(píng)估。

　　2.抗震因素的配置

　　毫無(wú)疑問，建筑物會(huì)從各方向承受地震作用，如果將整體建筑物當(dāng)作是二維框架的集合體去考慮力的傳遞就容易使人理解。與地震作用的水平方向平行的框架負(fù)擔(dān)著水平力，各層柱子與抗震墻等則按剛度比例負(fù)擔(dān)地震作用。

　　3.構(gòu)架的變形抵抗

　　對(duì)結(jié)構(gòu)體施加水平力時(shí)，若超過(guò)其支承的彈性限度，變形就會(huì)急遽地增加，達(dá)到最大強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于頻度高的地震，通常都停留在支承力的彈性極限以下，大地震時(shí)則不要超過(guò)其最大強(qiáng)度。

　　4.構(gòu)件的強(qiáng)度與韌性關(guān)系

　　強(qiáng)度大的抗震因素不需要韌性。墻壁與斜撐的韌性較小，框架構(gòu)架的韌性較大。

　　5.抗震因素平面上的平衡

　　抗震因素平面上的平衡不良的建筑物，在承受地震作用時(shí)容易產(chǎn)生伴隨扭力回轉(zhuǎn)的變形，剛性弱的部分就會(huì)產(chǎn)生很大的變形，使該部分的破壞有增大之虞。由于地震作用是屬于慣性力，因此力的作用中心要與重心一致。所謂的在平面上采取平衡，也就是地震作用的中心，亦即重心與抗震因素之剛度的中心(被稱作剛心)必須一致。即使平面上的剛性(框架的剛度)一致的建筑物，當(dāng)它向后退縮時(shí)，由于下方樓層的重心會(huì)從中心偏離，將會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。此外，如抗震墻與鋼骨框架之類的剛度大的抗震因素呈偏心配置的建筑物，就容易產(chǎn)生失穩(wěn)。

　　6.抗震因素之剖面上的平衡

　　當(dāng)抗震因素的剛度在上下方向不均勻，且硬樓層部與軟樓層部混合在一起時(shí)，地震作用就會(huì)集中于軟樓層部，使該樓層部分承受的力及變形變大，會(huì)有增大破壞之虞。尤其是二樓以上的部分墻壁多且一樓沒有墻壁的建筑物，稱作懸挑建筑物，有許多在地震時(shí)會(huì)發(fā)生一樓瓦解的破壞。建筑物由幾種構(gòu)架構(gòu)成，且各種構(gòu)架的上下方向能夠采取平衡時(shí)則很理想，而以各層之框架的剛度總和采取平衡亦可。

　　結(jié)語(yǔ)

　　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，任何在這個(gè)過(guò)程中的遺漏或錯(cuò)誤都有可能使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計(jì)結(jié)果存在不安全因素。所以把每個(gè)重要問題都考慮全面了，才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全。

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