摘要：文章結(jié)合高規(guī)對高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、常見結(jié)構(gòu)體系和基礎(chǔ)進(jìn)行闡述分析。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)體系；高層建筑；框架；剪力墻

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高層建筑在大中城市大量出現(xiàn)，在小城市也不斷涌現(xiàn)，建筑的形體各異，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。針對建筑形體的多樣性，這要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要不斷提高設(shè)計(jì)水平，下面我就根據(jù)高規(guī)（除注明外，本文所稱“規(guī)范”均指高規(guī)JGJ3—2010）結(jié)合自己的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)談?wù)劯邔咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

區(qū)別于低層和多層建筑，高層房屋設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.高層或多層建筑都承受豎向荷載（樓屋面活荷載、結(jié)構(gòu)自重、墻體重量等）和水平荷載的作用（風(fēng)荷載作用和地震作用），一般認(rèn)為，豎向荷載往往是影響低層和多層房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素。而在高層建筑中，除風(fēng)壓低和烈度低的地方外，起決定性作用的往往是水平荷載。高層建筑相對多層建筑對風(fēng)荷載比較敏感，故規(guī)范4.2.2規(guī)定房屋高度大于60m的建筑承載力設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用。

2.結(jié)構(gòu)側(cè)移是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的需控制的一個(gè)重要方面，對應(yīng)的指標(biāo)是層間位移角。由規(guī)范5.4.1條文說明的彈性等效側(cè)向剛度公式EJd=11qH4/120u可知，房屋的頂點(diǎn)側(cè)移與建筑物高度的四次方成正比，水平荷載作用引起的位移如果過大輕則會(huì)讓人感到不舒適、電梯偏位、填充墻開裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致房屋主要承重構(gòu)件開裂，房屋上下重心偏移，房屋承重構(gòu)件產(chǎn)生附加應(yīng)力，致使整個(gè)房屋結(jié)構(gòu)破壞，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中我們應(yīng)注意位移量的控制，保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度以控制結(jié)構(gòu)的位移。具體的工程設(shè)計(jì)中若層間位移角較大，則表示此時(shí)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，應(yīng)增加豎向構(gòu)件的剛度；若層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，則表示其結(jié)構(gòu)剛度很大，有削弱的空間。

3.結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的需控制的又一重要方面，對應(yīng)的指標(biāo)是位移比、周期比。由規(guī)范3.4.5條文說明可知位移比是限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。因此位移比的調(diào)整要改變結(jié)構(gòu)的平面布置，以使結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心盡量接近，找出位移大的節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)或削弱相應(yīng)的構(gòu)件。周期比是限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，從而用來限制振動(dòng)耦聯(lián)，因?yàn)檎駝?dòng)耦聯(lián)會(huì)使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯增大。多層建筑結(jié)構(gòu)周期較短，一般對周期比不作要求。結(jié)構(gòu)試算時(shí)周期比不滿足的情況下一般的調(diào)整原則是加大周邊豎向構(gòu)件剛度，削弱中間豎向構(gòu)件剛度。這兩個(gè)指標(biāo)的調(diào)整原則雖然只有幾句話，但據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)這兩指標(biāo)有時(shí)比較難調(diào)到理想的結(jié)果，特別是形體復(fù)雜的工程。

4.結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，高層建筑結(jié)構(gòu)要控制房屋的整體穩(wěn)定性，剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)符合如下要求：

框架結(jié)構(gòu)應(yīng)符合下式要求：

房屋一旦出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，就會(huì)危及房屋的安全，通過以上兩個(gè)公式可知采用輕質(zhì)材料，減輕房屋的重量對建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來說是一個(gè)有效措施。

高層房屋的結(jié)構(gòu)一般分為框架，剪力墻，框架-剪力墻和筒體等，規(guī)范對各個(gè)結(jié)構(gòu)體系分章節(jié)來說明其設(shè)計(jì)原則和構(gòu)造，下面對框架、剪力墻和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)談一下自己的看法。

1.框架結(jié)構(gòu)是一種非常常見的結(jié)構(gòu)體系，為雙向梁柱抗側(cè)力體系，一般不采用單跨框架。由梁柱體系承受豎向及水平荷載?？蚣芙Y(jié)構(gòu)可以現(xiàn)澆，也可以做成裝配整體式，但當(dāng)結(jié)構(gòu)抗震烈度為9度時(shí)，不能采用裝配整體式結(jié)構(gòu)（裝配整體式難以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件的設(shè)計(jì)目標(biāo)，地震作用下節(jié)點(diǎn)處容易破壞），目前國內(nèi)使用較多的是現(xiàn)澆框架?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是柱網(wǎng)間距受限小，建筑平面布置靈活，建筑功能區(qū)域好分割。

框架結(jié)構(gòu)由于側(cè)向剛度較小，高層框架結(jié)構(gòu)變形較大，為了控制房屋的變形，增大構(gòu)件的截面及配筋量才能滿足規(guī)范對側(cè)向位移的要求，所以框架結(jié)構(gòu)的適用高度最低。接近規(guī)范高度限值的房屋會(huì)導(dǎo)致梁柱截面過大，不適宜設(shè)計(jì)成框架體系，否則，既影響使用功能，又造成浪費(fèi)，故高層中純框架結(jié)構(gòu)較少見，即便是小高層也常會(huì)加少量剪力墻以增加其側(cè)向剛度。

2.剪力墻結(jié)構(gòu)是由墻體組成的承受豎向及水平荷載的結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是整體性好，側(cè)向剛度大，在水平力作用下側(cè)向位移小，容易滿足承載力及側(cè)移限值的要求。所以剪力墻結(jié)構(gòu)體系的適用高度范圍較大。由于剪力墻墻厚一般較薄，平面內(nèi)剛度較大，但平面外剛度很小，故剪力墻應(yīng)雙向布置，兩個(gè)方向的側(cè)向剛度不宜相差過大?？拐鹪O(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)采用僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置。

剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)相比其延性相對較差，抗震設(shè)計(jì)時(shí)為實(shí)現(xiàn)延性剪力墻一般的原則是：強(qiáng)墻弱梁、強(qiáng)剪弱彎。強(qiáng)墻弱梁是從體系的破壞機(jī)制方面考慮的，它要求連梁屈服先于墻肢屈服，使塑性變形和耗能分散于連梁中，避免因墻肢過早屈服使塑性變形集中在某一層而形成軟弱層或薄弱層。強(qiáng)剪弱彎是構(gòu)件延性的要求，包括剪力墻和梁。剪力墻除要滿足計(jì)算要求處，還要滿足構(gòu)造要求，限制其軸壓比、設(shè)置邊緣構(gòu)件和底部加強(qiáng)區(qū)。連梁作為第一道防線其作用不言而喻，規(guī)范7.2.21～7.2.25、7.2.27、7.2.28是對其計(jì)算和構(gòu)造的規(guī)定。但在很多情況下設(shè)計(jì)計(jì)算會(huì)出現(xiàn)“超限”情況，因此規(guī)范7.2.26給出了一些處理方法，當(dāng)然方法不只這些，如抗震規(guī)范GB 50011-2010中6.4.7提到的雙連梁、多連梁等。

3.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，顧名思義，是框架與剪力墻共同形成的結(jié)構(gòu)體系。在這一結(jié)構(gòu)體系中，框架結(jié)構(gòu)可以保證寬敞自由的平面空間布置，剪力墻可以保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定性。規(guī)范8.1.2列舉了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的組成形式，由于框架與剪力墻的變形曲線一個(gè)是剪切形一個(gè)是彎曲形，兩者組成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)其各自在結(jié)構(gòu)中占的比例不同則有不同的受力形態(tài)，規(guī)范8.21.3按在規(guī)定的水平力作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩占總地震傾覆力矩的比例確定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，若采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)設(shè)計(jì)人員在方案階段就需對框架占的比例有個(gè)大致了解，做到心中有數(shù)。

最后談一下高層建筑的地下室和基礎(chǔ)。為了抗傾覆和滑移，確保建筑物的安全，規(guī)范12.1.8對高層建筑規(guī)定了基礎(chǔ)埋深要求：采用天然地基或者復(fù)合地基時(shí)不小于房屋高度的1/15，采用樁基時(shí)不小于房屋高度的1/18（樁長不計(jì)入埋深）。由于高層建筑高度較高，基礎(chǔ)的埋深也相應(yīng)較深，也為了提高地基承載力，減少地震作用對上部結(jié)構(gòu)的影響，高層建筑一般設(shè)地下室，當(dāng)然設(shè)地下室也往往是建筑功能的要求。地下室的設(shè)計(jì)應(yīng)該注意幾點(diǎn)：①當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，應(yīng)該滿足規(guī)范對嵌固的相關(guān)要求。②地下室應(yīng)滿足整體抗浮要求，對于無外擴(kuò)的地下室容易滿足（施工過程需考慮抗浮，采取抗浮措施），但對于帶裙房或者帶有大地下室（部分無上部結(jié)構(gòu)）的房屋，抗浮設(shè)計(jì)水位又較高者，此類地下室須要驗(yàn)算抗浮。主樓范圍地下室基礎(chǔ)可以采用承壓樁，純地下室基礎(chǔ)可以采用抗拔樁以抵抗水浮力，主體地下室應(yīng)增大基礎(chǔ)剛度，相應(yīng)的純地下室或者裙房部分的地下室減小基礎(chǔ)的剛度以平衡協(xié)調(diào)變形，在主樓范圍的地下室部分底板，頂板以及墻板可以采用施工后澆帶的方式來降低不均勻沉降。③高層建筑的地下室外周回填土應(yīng)采用級(jí)配良好的砂石，砂土或土回填，并且分層夯實(shí)。高層建筑用天然地基上的筏形基礎(chǔ)比較經(jīng)濟(jì)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件好且能滿足地基承載力和變形要求時(shí)，也可采用交叉梁式基礎(chǔ)或其他形式基礎(chǔ)；當(dāng)?shù)鼗休d力或變形不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用樁基或復(fù)合地基，其中樁基和帶樁基的筏形基礎(chǔ)較常見。

隨著接觸工程的不斷增多，設(shè)計(jì)人員必然碰到各種各樣的難題，規(guī)范在總則1.0.4就說高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)注重概念設(shè)計(jì)，這要求我們對整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害等有充分的認(rèn)識(shí)。只有不斷提高自己的水平，才能對結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，做到安全適用，經(jīng)濟(jì)合理，對自己負(fù)責(zé)，對業(yè)主負(fù)責(zé)。

參考文獻(xiàn)：

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