[摘要]建筑類型與功能越來越復(fù)雜，高層建筑的數(shù)量日漸增多，高層建筑的結(jié)構(gòu)體系也是越來越多樣化，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也越來越成為高層建筑結(jié)構(gòu)工程設(shè)計工作的難點與重點。面對如此形勢，應(yīng)該把高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計放在首位加以研究。

[關(guān)鍵詞]城市高層；建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計

隨著時代的發(fā)展，世界人口迅速增多，文明建設(shè)水平突飛猛進(jìn)，既可以節(jié)約城市用地面積，又能夠減少市政投資，還在某種程度上加速了城市化建設(shè)的高層建筑已被廣泛采納與應(yīng)用。然而，高層建筑遠(yuǎn)非僅僅加高建筑層數(shù)那么簡單，通過2008年發(fā)生于四川汶川的8級5.12大地震進(jìn)一步為人們敲響警鐘，有必要深入研究包括高層建筑在內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，將質(zhì)量安全置于建筑的首位。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

水平荷載成為決定因素。一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構(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)動力特性的不同而有較大幅度的變化，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，從而會對連續(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；還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進(jìn)行調(diào)整；另外對構(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，會得出偏于不安全的結(jié)果。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)。結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標(biāo)。相對于較低樓房而言，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。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)體系的特點

（1）框架結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)體系一般用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由梁和柱通過節(jié)點構(gòu)成承載結(jié)構(gòu)，框架形成可靈活布置的建筑空間，具有較大的室內(nèi)空間，使用較方便。由于框架梁柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，建筑高度受到限制；剪切型變形，即層間側(cè)移隨著層數(shù)的增加而減?。豢蚣芙Y(jié)構(gòu)主要用于不考慮抗震設(shè)防，層數(shù)較少的高層建筑中，在考慮抗震設(shè)防要求的建筑中應(yīng)用不多；高度一般控制在70m以下。（2）巨型結(jié)構(gòu)。巨型結(jié)構(gòu)一般由兩級結(jié)構(gòu)組成，第一級結(jié)構(gòu)超越樓層劃分，形成跨若干樓層的巨梁、巨柱或巨型衍架桿件，以這巨型結(jié)構(gòu)來承受水平力和豎向荷載，樓面作為第二級結(jié)構(gòu)，只承受豎向荷載并將荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力傳遞到第一級結(jié)構(gòu)上。常見的巨型結(jié)構(gòu)有巨型框架結(jié)構(gòu)和巨型桁架結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)體系所具有的強(qiáng)度和剛度是不一樣的，因而它們適合應(yīng)用的高度也不同。一般說來，框架結(jié)構(gòu)適用于高度低，層數(shù)少，設(shè)防烈度低的情況；框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)可以滿足大多數(shù)建筑物的高度要求；在層數(shù)很多或設(shè)防烈度要求很高時，可用筒體結(jié)構(gòu)。（3）剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由墻體承受全部水平作用和豎向荷載現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性好，剛度大，在水平荷載作用下側(cè)向變形小，承載力要求也容易滿足；剪力墻結(jié)構(gòu)體系主要缺點：剪力墻間距不能太大，平面布置不靈活，不能滿足公共建筑的使用要求。此外，結(jié)構(gòu)自重往往也較大。剪力墻結(jié)構(gòu)在住宅及旅館建筑中得到廣泛應(yīng)用，因此這種剪力墻結(jié)構(gòu)適合于建造較高的高層建筑。（4）框架—剪力墻結(jié)構(gòu)（框架－筒體結(jié)構(gòu)）體系。在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分剪力墻，使框架和剪力墻兩者結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，共同抵抗水平荷載，就組成了框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。如果把剪力墻布置成筒體，又可稱為框架—筒體結(jié)構(gòu)體系?？蚣堋袅?筒體)結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件(隔墻及外墻)的損壞，這樣無論在非地震區(qū)還是地震區(qū)，這種結(jié)構(gòu)型式都可用來建造較高的高層建筑，目前在我國得到廣泛的應(yīng)用。

三、高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

（1）結(jié)構(gòu)平面的設(shè)計與布置。平面形狀簡單、規(guī)則、對稱盡量使質(zhì)心和鋼心重合。偏心大的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大，會加大端部構(gòu)件的位移，導(dǎo)致應(yīng)力集中。平面突出部分不宜過長。扭轉(zhuǎn)是否過大，可用概念設(shè)計方法近似計算鋼心、質(zhì)心及偏心距后進(jìn)行判斷，還可以比較結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)邊緣處的最大層間變形和質(zhì)心處的層間變形，其比值超過1.1者，可以認(rèn)為扭轉(zhuǎn)太大而結(jié)構(gòu)不規(guī)則。高層建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，當(dāng)由于使用功能與建筑的要求，結(jié)構(gòu)平面布置嚴(yán)重不規(guī)則時，將其分割成若干比較簡單、規(guī)則的獨立結(jié)構(gòu)單元。對于地震區(qū)的抗震建筑，簡單、規(guī)則、對稱的原則尤為重要。（2）結(jié)構(gòu)立體的設(shè)計與布置。結(jié)構(gòu)豎向布置最基本的原則是規(guī)則、均勻。規(guī)則，主要是指體型規(guī)則，若有變化，亦應(yīng)是有規(guī)則的漸變。體型沿豎向的劇變將使地震時某些變形特別集中，常常在該樓層因過大的變形而引起倒塌。均勻是指上下體型、剛度、承載力及質(zhì)量分布均勻，以及它們的變化均勻。結(jié)構(gòu)宜設(shè)計成剛度下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小，將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴(yán)重的會引起建筑的全面倒塌。如果體型尺寸有變化，也應(yīng)下大上小逐漸變化，不應(yīng)發(fā)生過大的突變。上下樓層收進(jìn)使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生，對于收進(jìn)的尺寸應(yīng)當(dāng)限制。（3）建筑基礎(chǔ)的設(shè)計與布置。高層建筑的上層結(jié)構(gòu)載荷很大，基礎(chǔ)底面壓力也很大，應(yīng)采用整體性好、能滿足地基的承載力和建筑物容許變形要求并能調(diào)節(jié)不均勻沉降的基礎(chǔ)形式。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)類型、層數(shù)、載荷及地基承載力，可以用筏型基礎(chǔ)或箱型基礎(chǔ)；當(dāng)?shù)鼗休d力或變形不能滿足設(shè)計要求時，可以采用樁基或復(fù)合地基。筏型基礎(chǔ)一般有兩種做法：倒肋形樓蓋式和倒無梁樓蓋式倒肋形樓蓋的筏基，板的折算厚度較小，用料較省，剛度較好，但施工比較麻煩，模板較費。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空間的利用，但地基開鑿施工麻煩，而且破壞了地基的連續(xù)性，擾動了地基土，會降低地基承載力；采用倒無梁樓蓋式的筏基，板厚較大，用料較多，剛度也較差，但施工較為方便，且有利于地下空間的利用。當(dāng)?shù)鼗鶚O軟且沉降不均勻十分嚴(yán)重時，采用筏形基礎(chǔ)，其剛度會顯得不足，在這種情況下采用箱型基礎(chǔ)就較為合理。箱型基礎(chǔ)剛度大、整體性好、傳力均勻；能適應(yīng)局部不均勻沉降較大的地基，有效地調(diào)整基地反力。在淺層地基承載力比較軟弱，而堅實土層距離地面又較深的時候，采用其他類型的基礎(chǔ)就不能滿足承載力或變形控制的要求。這時應(yīng)當(dāng)考慮采用樁基礎(chǔ)。樁承臺的作用是將上部荷載傳給樁，并使樁群連成整體，而樁又將荷載傳至較深的土層中區(qū)。樁距應(yīng)盡可能的大，在充分發(fā)揮單樁承載力的同時，還能發(fā)揮承臺土的反力作用，以取得最佳效果。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設(shè)用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速發(fā)展。另一方面由于輕質(zhì)高強(qiáng)材料的開發(fā)及新的設(shè)計計算理論的發(fā)展，抗風(fēng)和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術(shù)和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，特別是計算機(jī)的普及和應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)分析手段的不斷提高，為迅速發(fā)展高層建筑提供了必要的技術(shù)條件。

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