摘要：現(xiàn)代生活中的高層建筑結(jié)構(gòu)型式越來越復雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中既要適應(yīng)市場需求，又要滿足規(guī)范要求，除了進行必要的抗震計算分析外，更重要的是結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計。本文通過分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，針對概念設(shè)計的基本原則，提出在高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇及抗震性能方面應(yīng)注意的問題。
　　關(guān)鍵詞：高層建筑，建筑結(jié)構(gòu)，概念設(shè)計
　　
　　一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點
　　1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與低層多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相比較，結(jié)構(gòu)專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的地位。不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面布置，立面體型，樓層高度，機電管道的設(shè)置，施工技術(shù)要求，施工工期的長短和投資造價的高低。
　　2、高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中水平力是設(shè)計的主要因素。在低多層房屋結(jié)構(gòu)中，水平力產(chǎn)生的影響較小，以抵抗豎向荷載為主，側(cè)向位移小，通常可以忽略不計。在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，水平力(風荷載或地震作用)產(chǎn)生的內(nèi)力和位移迅速增大。
　　3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力，而且必須使結(jié)構(gòu)具有足夠的抵抗側(cè)向力的剛度，將結(jié)構(gòu)在水平力作用下所產(chǎn)生的側(cè)向位移限制在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。因此，高層建筑所需的側(cè)向剛度由位移控制。
　　4、高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣基礎(chǔ)條件下，減輕房屋自重意味著不增加基礎(chǔ)造價和處理措施，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層地區(qū)更有突出的經(jīng)濟效益。另外地震效應(yīng)是與建筑的質(zhì)量成正比的，減輕房屋自重是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的有效方法。因此在高層建筑中，結(jié)構(gòu)材料宜采用高強度材料。
　　5、在高層建筑的抗風設(shè)計中，除保證結(jié)構(gòu)有足夠承載力，還必須具有足夠的剛度；控制好在風荷載作用下的位移值，保證有良好的居住和工作條件；維護結(jié)構(gòu)和裝飾構(gòu)件必須有足夠的承載力，并與主體結(jié)構(gòu)可靠連接。
　　6、有抗震設(shè)防的高層建筑應(yīng)進行詳細勘察，摸清地質(zhì)情況，選擇位于開闊平坦地帶，具有較好場地土的對抗震有利的地段。
　　7、地基基礎(chǔ)的承載力和剛度要與上部結(jié)構(gòu)的承載力和剛度相適應(yīng)。當上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接部位考慮受彎承載力增大時，相臨基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的地下室結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮彎矩增大的作用。
　　8、剪跨比和剪壓比是判別梁、柱和墻肢等抗側(cè)力構(gòu)件抗震性能的重要指標。剪跨比用于區(qū)分變形特征和變形能力，剪壓比用于限制內(nèi)力，保證延性。
　　
　　二、高層建筑概念設(shè)計的基本原則
　　1、以承載力、剛度、延性為主導目標，實施多道防線、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。例如，林同炎教授根�?jù)此思想設(shè)計的l8層馬那瓜美洲銀行在1972年的馬那瓜大地震中經(jīng)受了絕佳的考驗。
　　2、在對結(jié)構(gòu)進行分析計算時，應(yīng)該運用最簡單、最直接、概念最清楚的計算方法，將結(jié)構(gòu)的受力與傳力途徑設(shè)計成簡單、直接、明確。盡可能避免出現(xiàn)以抗扭為主導的關(guān)鍵性傳力構(gòu)件。
　　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，以避免或減小在風荷載或地震作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。
　　4、建筑物豎向布置的抗側(cè)力剛度構(gòu)件也最好設(shè)計成均勻、連續(xù)，避免出現(xiàn)薄弱層和上下層間的剪切剛度、彎曲剛度的突變。
　　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)計中，計算軟件無法進行上部結(jié)構(gòu)—－地下室—－地基基礎(chǔ)的相互作用分析，計算出來的底板內(nèi)力遠遠大于底板實際受到的內(nèi)力。
　　
　　三、高層建筑中的結(jié)構(gòu)體系的選擇
　　結(jié)構(gòu)設(shè)計實際上是在各種約束條件下的最優(yōu)化選擇過程。在這一過程中要對建筑材料與結(jié)構(gòu)形式進行綜合考慮，如建筑材料形式主要有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土和鋼的組合結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)體系主要有剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)。
　　對于結(jié)構(gòu)選型來說，沒有普遍使用的選擇標準，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)劣性，需要設(shè)計師仔細斟酌。例如：框筒是高層建筑最常用的結(jié)構(gòu)形式，為了減少框筒的剪力滯后，外框筒一般應(yīng)采用密柱高裙梁的形式。但這種做法不僅限制了建筑體型和建筑功能，而且當建筑的平面尺寸較大時也往往難以發(fā)揮結(jié)構(gòu)的效能。因而，在結(jié)構(gòu)的豎向平面內(nèi)增加斜向支撐，形成組合框架式結(jié)構(gòu)的做法，已在工程界廣泛采用，并被認為是增加高層結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度的最有效和經(jīng)濟的方法。香港的中銀大廈、上海證券大廈等工程，在外框筒中增加了斜撐，達到了結(jié)構(gòu)和建筑的完美結(jié)合。
　　選型與布置的具體內(nèi)容：
　　一是結(jié)構(gòu)平面形狀和立體體型的選擇。平面形狀宜簡單、規(guī)則、對稱，避免過多的外伸、內(nèi)凹，以預(yù)防地震時產(chǎn)生大的震害。
　　二是電梯間的布置。電梯間會對樓板產(chǎn)生較大的削弱，布置時應(yīng)盡量避開端角和凹凸處。同時，還應(yīng)避免在電梯開洞后將建筑物截為兩段。在純框架結(jié)構(gòu)中，電梯井一般不宜采用鋼筋混凝土井筒，所以，到底設(shè)計成框架結(jié)構(gòu)還是框剪結(jié)構(gòu)，必須十分明確。如為框架結(jié)構(gòu)，則不宜設(shè)剪力墻：如設(shè)計為框剪結(jié)構(gòu)，剪力墻的數(shù)量必須足夠。
　　三是錯層的布置。一般說來，高層建筑不應(yīng)設(shè)置錯層，對于因局部取消梁板而形成的聯(lián)層柱，應(yīng)控制其高度。
　　四是必須具有明確的主群樓關(guān)系。
　　五是為防止地震時高層建筑的傾覆和滑移，基礎(chǔ)必須有足夠的埋深。
　　
　　四、提高結(jié)構(gòu)的抗震性能
　　由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度外，還應(yīng)具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設(shè)計，使建筑物達到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達到這一要求，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響。
　　框架結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使節(jié)點基本不破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生。同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了保證鋼筋砼結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應(yīng)按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”的原則進行設(shè)計，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構(gòu)造配筋要求，特別是要加強節(jié)點的構(gòu)造措施。
　　對于框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中各段剪力墻高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效。按照“強墻弱梁”的原則加強墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。
　　
　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求。因此，作為工程設(shè)計界的同仁，我們應(yīng)該在工程設(shè)計的實踐中推廣和運用概念設(shè)計的思想，不斷提高建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的水平。我們相信，概念設(shè)計必然會為越來越多的結(jié)構(gòu)工程師所接受，并將在結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮更大的作用。
　　
　　參考文獻
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