白偉寧

（身份證號：130130198409061212）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)選型探討

白偉寧

（身份證號：130130198409061212）

本文通過對高層住宅的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，降低高層建筑的造價成本，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)選型；結(jié)構(gòu)體系

1　高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及類型

1.1高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高層建筑的結(jié)構(gòu)要同時承受垂直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。低層結(jié)構(gòu)的水平荷載對結(jié)構(gòu)影響通常較小，但在高層建筑中，水平荷載和地震作用將成為控制因素。高層建筑隨著高度的增加，位移增加很快。然而過大的側(cè)移會使人感覺不舒服，從而影響使用，還會造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞。所以必須將結(jié)構(gòu)的側(cè)移控制在一定的范圍之內(nèi)，于是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為高層建筑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.2高層建筑結(jié)構(gòu)類型

鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，韌性大，易于加工。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)斷面小，自重輕，抗震性能好，施工工期短，施工方便等特點(diǎn)。然而，高層建筑結(jié)構(gòu)隨著用鋼量的增大，工程造價也隨之提高。在發(fā)達(dá)國家，大多數(shù)高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在我國，隨著建筑物高度的增加，也有采用鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑。由于鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)均各有所長，又各有所短，所以更為合理的結(jié)構(gòu)是同時采用鋼和鋼筋混凝土材料的組合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使兩種材料互相取長補(bǔ)短，取得經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)性能優(yōu)良的效果。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

2.1水平荷載成為決定因素

任何一個建筑結(jié)構(gòu)都要同時承受垂直荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，還要具有抵抗地震作用的能力。在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生著重要影響，但水平荷載卻起著決定性的作用。隨著高層建筑層數(shù)的增多，水平荷載成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制因素。一方面，因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎構(gòu)件中產(chǎn)生作用，而水平荷載一也對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾覆作用，并由此產(chǎn)生高層建筑在豎構(gòu)件中的作用力；另一方面，對高層建筑來說，豎向荷載和地震作用，也隨建筑結(jié)構(gòu)動力特性而發(fā)生大幅度的變化。

2.2側(cè)移成為控制指標(biāo)

與低層建筑不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓層的增加，水平荷載作用下高層結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形迅速增大。設(shè)計(jì)高層結(jié)構(gòu)時，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，能夠可靠地承受風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力；還要求具有足夠的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移被控制在某一限度之內(nèi)，確保良好的居住和工作安全。由此可見，高樓的使用功能和安全，與結(jié)構(gòu)側(cè)移的大小密切相關(guān)。

2.3結(jié)構(gòu)延性成為重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

與低層建筑結(jié)構(gòu)相比，高層建筑結(jié)構(gòu)更柔和，在地震作用下的變形度更大。為了確保高層建筑在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，從而避免倒塌，設(shè)計(jì)人員特別需要在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏肀ＷC高層建筑結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3　高層建筑結(jié)構(gòu)選型

在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，人們往往將注意力集中于建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工，而忽視了設(shè)計(jì)階段前的許多更為重要的問題。根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，對高層建筑結(jié)構(gòu)在概念階段的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，該階段設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)直接影響建筑工程整體的經(jīng)濟(jì)性。

3.1高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型與建筑施工的關(guān)系

高層建筑施工工藝的不同，不僅會影響到材料消耗、勞動力、工期及造價等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而且也會影響到建筑結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，抗震性能等。所以在高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型時就要對施工工藝連同其它因素加以權(quán)衡，綜合考慮?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的造價主要包括材料、模板及施工三部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在造價中模板的費(fèi)用是最主要、最易變化的部分，它可占總造價的33～55%，模板體系選擇是否合理，不僅影響主體結(jié)構(gòu)造價，而且與施工速度及勞動力消耗有著密切關(guān)系。

3.2高層建筑結(jié)構(gòu)抗震體系選定的原則

①具有明確的計(jì)算簡圖和合理的地震力傳遞路線；②具備多道抗震防練不會因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效，而導(dǎo)致整個體系喪失抗側(cè)力或承受重力荷載的能力；③具有必要的承載力、良好的延性和較多的耗能潛力，從而使結(jié)構(gòu)體系遭遇地震時具有足夠的防倒塌能力；④沿水平和豎向結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度分布均勻，或按需要合理分布，避免出現(xiàn)局部削弱或突變，形成薄弱環(huán)節(jié)，從而防止地震時出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中的危險。

在確定高層建筑方案的同時，應(yīng)綜合考慮房屋的重要性、設(shè)防烈度、場地類別、房屋高度、地基基礎(chǔ)，以及材料供應(yīng)和施工條件，并結(jié)合結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)，選擇最合適的結(jié)構(gòu)體系。

4　結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)集結(jié)構(gòu)分析、數(shù)學(xué)優(yōu)化方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)工作，是一項(xiàng)對國家建設(shè)具有重大意義的工作，同時也是一門實(shí)用性很強(qiáng)的工作。針對目前設(shè)計(jì)人員按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法造成財產(chǎn)大量浪費(fèi)的現(xiàn)狀，推行能實(shí)現(xiàn)資源合理分配利用，節(jié)約建筑造價的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法是勢在必行的，同時也是刻不容緩的。那么，概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)選型就毋庸質(zhì)疑地被放在了一個極其重要的地位之上。概念設(shè)計(jì)是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵，一個結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì)，并能有意識地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

[1]張相庭.高層建筑抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：30～33.

[2]李波.高層建筑側(cè)向位移限制的研究[M].北京：中國工業(yè)出版社，2008：100～103.

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2015-7-4