侯艷斌

(臨汾市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山西臨汾 041000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的步伐也越來越快，城市建設(shè)的需要與滿足可供建設(shè)的土地供給之間的矛盾日益突出。但是，科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和提高也為解決這些矛盾提供了選擇。高層建筑的出現(xiàn)在一定程度上緩解了這種矛盾?，F(xiàn)在，高層建筑的建造速度和建設(shè)規(guī)模越來越快，越來越大。我國的高層甚至是超高層建筑從無到有，不僅高度不斷增加，建筑功能越來越齊全，而且建筑類型也越來越呈多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)體系的選擇也更為靈活。因此，高層建筑不僅節(jié)約城市用地，增加城市景觀，減少城市基礎(chǔ)設(shè)施投資，更重要的是，確實(shí)使居民的居住和生活條件大為改善。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的劃分

1)按結(jié)構(gòu)材料劃分為:

a．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。充分發(fā)揮了鋼筋和混凝土兩種工程材料的力學(xué)性能，且能共同受力，協(xié)調(diào)工作。

b．鋼結(jié)構(gòu)。雖然存在結(jié)構(gòu)材料本身價(jià)格較高、易銹蝕、維護(hù)成本高的種種缺點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重低、抗震性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)使鋼結(jié)構(gòu)成為超高層建筑的首選。

c．鋼—混凝土組合混合結(jié)構(gòu)。將鋼構(gòu)件和鋼筋混凝土構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行連接，共同形成結(jié)構(gòu)。

d．鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)。型鋼混凝土結(jié)構(gòu):將型鋼當(dāng)作混凝土中包的鋼筋;鋼管混凝土結(jié)構(gòu):鋼管內(nèi)澆筑混凝土形成新的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

2)按結(jié)構(gòu)形式劃分為:

a．框架結(jié)構(gòu)。由梁柱作為承受橫向或豎向荷載的結(jié)構(gòu)形式。

b．剪力墻結(jié)構(gòu)。由剪力墻作為承受橫向或豎向荷載的結(jié)構(gòu)形式。

c．框架剪力墻結(jié)構(gòu)。利用框架和剪力墻的各自優(yōu)點(diǎn)，框架主要承受豎向荷載，剪力墻主要抵抗橫向荷載。

d．筒體結(jié)構(gòu):包括框筒、筒中筒和組合筒等結(jié)構(gòu)形式。

3)較復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)體系:

a．轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。沿立面根據(jù)功能劃分為不同區(qū)段，設(shè)置轉(zhuǎn)換層使這些不同區(qū)段的豎向構(gòu)件實(shí)現(xiàn)過渡。

b．連體結(jié)構(gòu)。由架空連接體將不同的高層建筑進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)外觀和功能需求。

c．帶加強(qiáng)層結(jié)構(gòu)。在框筒結(jié)構(gòu)中沿豎向設(shè)置一個(gè)或若干個(gè)加強(qiáng)層，以提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)選型

建筑結(jié)構(gòu)從受力上可劃分為豎直方向、水平方向以及與地基接觸的底部等結(jié)構(gòu)。綜合考慮建筑的高度、高寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地類別、結(jié)構(gòu)材料和施工技術(shù)等影響因素而決定的建筑物各方向整體受力情況的結(jié)構(gòu)體系稱為結(jié)構(gòu)選型。結(jié)構(gòu)選型涉及到整個(gè)建筑物的設(shè)計(jì)功能，更涉及到建筑物的結(jié)構(gòu)安全，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

結(jié)構(gòu)選型的主要任務(wù)有:

1)決定建筑豎直方向的受力體系;

2)決定建筑水平方向的受力體系;

3)決定建筑底部的受力體系。

決定的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)滿足幾方面的要求:

1)建筑功能。如居住建筑、公共建筑;采光、通風(fēng)、空調(diào)等功能。

2)結(jié)構(gòu)與建筑美學(xué)的統(tǒng)一。建筑的表達(dá)從社會(huì)學(xué)、民俗學(xué)、哲學(xué)等人文領(lǐng)域講具有一定的隨意性，如何把建筑的美學(xué)表達(dá)和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)結(jié)合起來，就要從結(jié)構(gòu)選型上多加考慮。

3)有足夠的強(qiáng)度、剛度和變形能力。不同的結(jié)構(gòu)體系所對(duì)應(yīng)的這三個(gè)方面的指標(biāo)能力不同。

4)施工上技術(shù)可行。設(shè)計(jì)最終需要施工上予以實(shí)現(xiàn)，若現(xiàn)有的施工技術(shù)水平無法達(dá)到，則所有的設(shè)計(jì)只能放在展覽廳。

5)總體費(fèi)用最低。無論處于建筑產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的哪個(gè)階段，錢都是最主要的問題。當(dāng)設(shè)計(jì)方案對(duì)比時(shí)，要充分考慮總體費(fèi)用，我們的目標(biāo)是在滿足所有功能的前提下，花錢最少。

3 高層建筑的受力情況分析

3．1 豎向荷載

1)恒荷載。根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的密度與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行計(jì)算。

2)活載。包括樓面活載或屋面活載，從《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中查閱，但要特別考慮:

a．充分考慮到施工中可能遇到的對(duì)結(jié)構(gòu)受力有影響的其他因素;

b．在高層或超高層建筑頂部設(shè)置可移動(dòng)裝置時(shí)設(shè)備的影響;

c．在高層建筑后期維護(hù)或清潔時(shí)，大型清潔機(jī)具空中作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的附加重量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響;

d．經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)當(dāng)高層建筑頂部設(shè)置有直升機(jī)起降平臺(tái)時(shí)所產(chǎn)生的活荷載。

3)高層建筑活載占比較小，可不考慮活荷載的不利布置。

3．2 水平作用

1)風(fēng)載。空氣流動(dòng)對(duì)建筑物側(cè)面產(chǎn)生正壓力或負(fù)壓力，這些就是建筑物受到的風(fēng)荷載。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)《規(guī)范》充分考慮:基本風(fēng)壓，風(fēng)壓高度變化系數(shù)，風(fēng)載體型系數(shù)，風(fēng)振系數(shù)的影響，分別計(jì)算總風(fēng)載和局部風(fēng)載，以及相對(duì)應(yīng)的總體效應(yīng)和局部效應(yīng)。

2)地震作用。規(guī)范規(guī)定“設(shè)計(jì)中主要考慮水平地震作用，只有震中附近的高烈度區(qū)大跨度結(jié)構(gòu)才同時(shí)考慮豎向地震作用”。根據(jù)抗震設(shè)防三水準(zhǔn)目標(biāo)和兩階段設(shè)計(jì)方法，計(jì)算地震作用方法一般采用“反應(yīng)譜法”。

3)其他作用。在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)充分考慮建筑物在施工過程中和使用過程中由于溫度、材料、沉降等其他因素而引起的內(nèi)力或變形。

通過以上分析，高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮樓面剛度無窮大假定，豎向荷載和水平荷載分配假定的整體工作性能。同時(shí)可以看出，水平作用的影響是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。高大建筑剛度設(shè)計(jì)時(shí)還要提高延性和考慮薄弱層的影響。

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

從設(shè)計(jì)方法和計(jì)算原理角度看，高層建筑與多層建筑除了高度與層數(shù)，沒有實(shí)質(zhì)性區(qū)別，都會(huì)受到豎向或水平方向上的作用。但是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗側(cè)力設(shè)計(jì)成為更多消耗材料的重要因素，同時(shí)從功能上講，高層建筑更有其特殊要求。

1)水平方向的作用成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否成功的最主要考慮因素，結(jié)構(gòu)的傾覆力矩與位移隨結(jié)構(gòu)高度增加呈指數(shù)變化曲線上升。

因此，水平方向的作用成為關(guān)鍵因素，在這種情況下，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，才能適度減少材料用量。

2)隨著高度增加，地震作用的危害將會(huì)進(jìn)一步放大，因此，必須特別重視高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)延性成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

3)高層建筑在豎向荷載作用下，荷載數(shù)值很大，因此，必須考慮柱的軸向變形導(dǎo)致的連續(xù)梁的彎矩變化而引起的變形所產(chǎn)生的影響。

4)高層建筑在水平荷載作用下，隨高度增加側(cè)移急劇增大，因此必須將側(cè)移控制在一定范圍內(nèi)。

5)充分考慮結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

地震時(shí)，地面在平移的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之結(jié)構(gòu)在地震作用下也會(huì)產(chǎn)生平移和扭轉(zhuǎn)。震害研究指出，地震時(shí)的扭轉(zhuǎn)是導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)破壞的一個(gè)很重要的因素，因此，規(guī)范增加了對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)偏心扭轉(zhuǎn)的規(guī)定。在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)抗扭剛度的有利影響。

同時(shí)注意:

1)抗側(cè)構(gòu)件布置應(yīng)規(guī)則、均勻、對(duì)稱;

2)抗側(cè)構(gòu)件截面設(shè)計(jì)宜規(guī)整、對(duì)稱;

3)在建筑設(shè)計(jì)允許的條件下，適度降低層高。

除上述一些特點(diǎn)外，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，實(shí)用分析法一般都作彈性假定、小變形假定和剛性樓板假定。

5 框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻數(shù)量的優(yōu)化

鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系是震區(qū)高層建筑使用較為廣泛的結(jié)構(gòu)體系，不僅能為建筑設(shè)計(jì)提供大空間，且結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。但是這種結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻的數(shù)量的最佳配置不僅反映結(jié)構(gòu)的安全性，更是衡量技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。

鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)中，滿足抗震規(guī)范層間位移角限值規(guī)定的最少剪力墻數(shù)量就是剪力墻數(shù)量的最佳配置，且布置對(duì)稱、均勻。

6 結(jié)語

隨著我國城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，建筑物的精心設(shè)計(jì)才能滿足廣大人民群眾對(duì)安居生活的較高要求。這樣，不僅能夠有效解決城市用地緊張給房屋價(jià)格帶來的巨大影響，而且還能夠在滿足建筑物功能的基礎(chǔ)上使建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑形式達(dá)到和諧統(tǒng)一。

［1］ B．S．Smith，A．Coull．Tall Building Structures:Analysis and Design，John Wiley ＆ Sons，Inc．1991．

［2］ 包世華．新編高層建筑結(jié)構(gòu)［M］．北京:中國水利水電出版社，2001．

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［4］ 文 勇．水平荷載在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的重要作用［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(25):70-72．