馬桂群

摘要：文章結(jié)合筆者在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分工作的經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)，簡(jiǎn)要地分析高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和原則，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意問(wèn)題進(jìn)行了分析與研究，旨在為類似的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；特點(diǎn)；原則；扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

引言

目前，隨著城市化進(jìn)程的加快，高層建筑越來(lái)越多。在高層建筑的建設(shè)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其中非常重要的組成部分，對(duì)建筑物的建設(shè)、養(yǎng)護(hù)等產(chǎn)生重要的影響。一方面，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要具有科學(xué)性和合理性，能夠滿足人們生活的需要；另一方面，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要具有安全性，能夠滿足抗震、抗風(fēng)等基本要求，為人們的生活和學(xué)習(xí)提供安全保障。本文主要就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意問(wèn)題進(jìn)行了論述。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)具有與一般的建筑結(jié)構(gòu)不同的特點(diǎn)，它同時(shí)承受著水平荷載和垂直荷載，其中水平荷載是由外界的風(fēng)力所產(chǎn)生的，垂直荷載是由于建筑物高度所引起的，此外，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)抗震能力也有相應(yīng)的要求。通常情況下，低層建筑結(jié)構(gòu)受到的水平荷載比較小，垂荷載也比較小。但是，在高層建筑中，外界地震和外界風(fēng)力會(huì)對(duì)高層建筑產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，并且是對(duì)高層建筑荷載的主要因素。隨著建筑物高度的不斷增加，高層建筑的位移較快的增長(zhǎng)。但是，高層建筑過(guò)大的側(cè)移不僅會(huì)影響人的舒適度，還會(huì)對(duì)建筑物的使用產(chǎn)生影響，此外，過(guò)大的側(cè)移還會(huì)損害建筑物的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鑒于此，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須將側(cè)移控制在合理的范圍之內(nèi)，使建筑物不會(huì)影響人的舒適度，不會(huì)影響建筑物的使用。因此，可以說(shuō)，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其核心是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

（1）選擇合理的計(jì)算簡(jiǎn)圖。在計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，如果計(jì)算簡(jiǎn)圖的選擇不合理，會(huì)造成結(jié)構(gòu)不合理，容易出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)不合理而發(fā)生安全事故。所以，要保證建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全，必須選擇合理的計(jì)算簡(jiǎn)圖，此外，為了保證計(jì)算簡(jiǎn)圖的安全，在實(shí)踐中，我們需要采取相應(yīng)的構(gòu)造方法。在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)不僅僅局限于鋼節(jié)點(diǎn)或者餃節(jié)點(diǎn)，盡量減小誤差，將計(jì)算簡(jiǎn)圖盡量控制在規(guī)范的規(guī)定之內(nèi)。

（2）選擇合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選擇的時(shí)候，需要按照高層建筑的地質(zhì)條件進(jìn)行。并且，對(duì)高層建筑上部的結(jié)構(gòu)類型與荷載分布進(jìn)行綜合分析，同時(shí)對(duì)施工條件以及相鄰建筑物的影響進(jìn)行全面的考慮，在綜合分析和考慮的基礎(chǔ)上選擇科學(xué)合理的基礎(chǔ)方案。需要注意的是，基礎(chǔ)方案的選擇需要使地基的潛力能夠得到最大的發(fā)揮，如如果必要的話，可以對(duì)地基變形進(jìn)行檢測(cè)。

（3）選擇合理的結(jié)構(gòu)方案。合理的結(jié)構(gòu)方案必須滿足高層建筑設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系的要求，并盡量經(jīng)濟(jì)合理，以最少的花費(fèi)獲得最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。受力在明確、傳力簡(jiǎn)單是結(jié)構(gòu)體系的基本要求，在相同的結(jié)構(gòu)單元中，應(yīng)該選擇相同的結(jié)構(gòu)體系。選擇合理的結(jié)構(gòu)方案的時(shí)候，需要分析地理?xiàng)l件、工程設(shè)計(jì)需求、施工條件、施工材料等等，在對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇，以確定最佳的結(jié)構(gòu)方案。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意問(wèn)題

3.1結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問(wèn)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)階段工作的被動(dòng)。

3.2結(jié)構(gòu)的超高問(wèn)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(wèn)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。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)過(guò)由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問(wèn)題，導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過(guò)，必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開(kāi)專家會(huì)議進(jìn)行論證等工作的情況，對(duì)工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。

3.3嵌固端的設(shè)置問(wèn)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(wèn)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(wèn)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。

3.4短肢剪力墻的設(shè)置問(wèn)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。

3.5 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問(wèn)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(wèn)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)。建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期問(wèn)題包含兩方面：①合理控制結(jié)構(gòu)的自振周期；②控制結(jié)構(gòu)的自振周期使其盡可能錯(cuò)開(kāi)場(chǎng)地的特征周期。

3.6 結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的限值

高層建筑結(jié)構(gòu)的水平位移隨著高度增長(zhǎng)而迅速變大，為防止位移過(guò)大，規(guī)范對(duì)頂點(diǎn)位移和層間位移都作了一定的限制。控制頂點(diǎn)位移u/h的主要目的是保證建筑內(nèi)人體有舒適感和防止房屋在罕遇地震時(shí)倒塌。但控制房屋在罕遇地震時(shí)倒塌與否的條件是結(jié)構(gòu)極限變形能力而不是u/h限值。另外，為使結(jié)構(gòu)具有較好的防倒塌能力，應(yīng)在結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮相關(guān)效應(yīng)?？刂茖娱g位移△u/h的主要目的是防止填充墻、裝飾物等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開(kāi)裂和損壞。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)性和綜合性很強(qiáng)的工作，它對(duì)建筑設(shè)計(jì)具有十分重要的指導(dǎo)意義。隨著高層建筑也在日新月異的發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。本文通過(guò)分析了高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和原則，提出了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意問(wèn)題，以供類似的工程參考與借鑒。

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