文/陳曉平、盧嘉 重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 重慶 400030

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型分析

文/陳曉平、盧嘉 重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院 重慶 400030

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑在城市發(fā)展中占據(jù)的比例越來(lái)越高；高層建筑中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型是重要的構(gòu)成方式，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型能夠?qū)⒏邔咏ㄖ耐庑翁卣鞅憩F(xiàn)出來(lái)，同時(shí)也保證了建筑的各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。本文在分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及相關(guān)體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)其設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行了解析，希望以此為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化及完善提供一些具有價(jià)值的參考建議。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；選型分析

1、引言

高層建筑具有更高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，高層建筑也是生產(chǎn)力和消費(fèi)水平不斷提升的必然趨勢(shì)。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市人口持續(xù)增加，土地資源日益緊缺，急需發(fā)展高層建筑來(lái)解決這些問(wèn)題。高層建筑有利于緩解我國(guó)城市土地資源緊缺問(wèn)題，減少市政建設(shè)投資、縮短建筑工期，而且高層建筑的功能更加豐富，符合人們對(duì)建筑功能的需求。但是高層建筑質(zhì)量及其功能發(fā)揮依賴于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只有合理設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)造型才能充分其發(fā)揮起功能。文章對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型進(jìn)行分析。

2、高層建筑結(jié)構(gòu)類型

高層建筑結(jié)構(gòu)主要分為三種類型：①剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)是指建筑內(nèi)外墻采用剪力墻設(shè)計(jì)方式，利用剪力墻承擔(dān)建筑負(fù)荷。②筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)分為框架-核心筒和筒中筒兩種類型，前者的受力特點(diǎn)為框架、筒體分別承受豎向和水平荷載，變性特點(diǎn)與框剪墻存在一定相似之處，但是其抗側(cè)剛度性能更好。筒體結(jié)構(gòu)計(jì)算方法三維空間法，計(jì)算結(jié)果的精度更高。③框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由多個(gè)框架和剪力墻共組成，該結(jié)構(gòu)類型優(yōu)點(diǎn)在于位移和內(nèi)力設(shè)計(jì)防范方式較多，但是連梁連續(xù)化假定方法計(jì)算位移協(xié)調(diào)條件時(shí)，應(yīng)該按照框架水平位移和剪力墻轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)，建立外荷載與位移關(guān)系的微分方程。但是需求和因素未知量之間存在差異，微分方程存在不同解。

3、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中水平荷載控制分析

高層建筑相對(duì)于底層建筑而言,其整體結(jié)構(gòu)對(duì)水平載荷具有較大的承載量,因此,高層建筑整體穩(wěn)定性直接受高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中水平荷載水平控制的影響。建筑承受的傾覆力矩、建筑的偏心軸向力等都與高層建筑的水平荷載具有直接的關(guān)系,其關(guān)系為二次方倍數(shù)關(guān)系。因此,高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,對(duì)水平荷載需要進(jìn)行嚴(yán)格的控制,從而使得由于過(guò)大的水平荷載造成的連鎖性穩(wěn)定性問(wèn)題得到有效控制。

3.2 合理確定抗側(cè)剛度

高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，較之于低層建筑有所差異，而且會(huì)給結(jié)構(gòu)側(cè)移造成較大的影響。受樓層高度變化的影響，隨著水平荷載測(cè)量變形的影響，結(jié)構(gòu)側(cè)移也會(huì)越來(lái)越大。因此，進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要達(dá)到一定程度，還要能承受荷載作用帶來(lái)的內(nèi)力影響，與此同時(shí)，要求抗側(cè)剛度也須具備，保證結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下對(duì)側(cè)移的情況進(jìn)行控制。

3.3 確定測(cè)控

與低層建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)移問(wèn)題，并成為高層建筑結(jié)構(gòu)的重要因素。隨著樓層增加，水平荷載側(cè)變形也越來(lái)越大。高層建筑結(jié)構(gòu)不僅需要具備一定強(qiáng)度，還需具備承受荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力作用和抗側(cè)剛度，以防建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下發(fā)生側(cè)移。

4、高層建筑結(jié)構(gòu)選型的方法

4.1 定量方法

高層建筑結(jié)構(gòu)選型還可以采用定量的方法,即在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置好結(jié)構(gòu)體系比較和選擇的范圍,先舍棄結(jié)構(gòu)選型中的一些次要的影響因素,進(jìn)行定量選擇在運(yùn)用定量方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí),忽略掉不容易將影響因素轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)計(jì)量單位進(jìn)行評(píng)估比較的成分,把可以轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)計(jì)量單位的成分因素留下,再將這些成分進(jìn)行計(jì)算比較。例如,在高層建筑結(jié)構(gòu)選型時(shí),計(jì)算工程建設(shè)的工程概況中相關(guān)的數(shù)據(jù)、將結(jié)構(gòu)造價(jià)與整個(gè)建筑的成本價(jià)格進(jìn)行比較、結(jié)構(gòu)施工工期與整體成本的比較。在這些比較中,包括了利息、租金等計(jì)算。依據(jù)定量的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型,實(shí)際上也具有一定的局限性,在定量計(jì)算時(shí)僅僅只是以整體成本為目標(biāo),而且定量計(jì)算中的數(shù)據(jù)是無(wú)法分析的。此外,定量計(jì)算在數(shù)據(jù)的選擇上會(huì)受到人為的主觀的影響,最后結(jié)構(gòu)選型的方案也會(huì)受到影響。

4.2 結(jié)構(gòu)布置

通過(guò)對(duì)建筑的使用功能進(jìn)行考慮，選擇框架一核心筒結(jié)構(gòu)，剪力墻與框架抗震等級(jí)均為一級(jí)。對(duì)結(jié)構(gòu)平面進(jìn)行布置時(shí)，要考慮到結(jié)構(gòu)對(duì)水平和豎向荷載的抵抗能力，在核心筒位置布置剪力墻，受力明確、傳力直接，墻體對(duì)稱布置，考慮扭轉(zhuǎn)因素的影響，在對(duì)建筑使用功能不受影響的基礎(chǔ)上，將抗側(cè)力剪力墻布置在建筑平面四角位置，降低扭轉(zhuǎn)帶來(lái)的影響。建筑平面布置規(guī)則相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需考慮剛度對(duì)稱，減少地震作用影響，在核心筒內(nèi)部設(shè)置電梯井筒，框架布置根據(jù)建筑平面進(jìn)行即可。布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，盡量保證梁與柱的重心重合，從而可以有效地保證作用力直接傳導(dǎo)，如果梁和柱的重心無(wú)法重合時(shí)，就需要在計(jì)算時(shí)，對(duì)梁和柱的重心在核心區(qū)出現(xiàn)受力偏心對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的一些不利影響，如果偏心距較大，一般大于柱寬的1/4時(shí)，可采用增加梁的水平加腋措施來(lái)解決，從而可有效降低由于偏心過(guò)大而帶來(lái)的不利影響。

4.3 迷糊推理法

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)選型時(shí),相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以在運(yùn)用信息技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊推理,建立一個(gè)完整的綜合評(píng)判的數(shù)學(xué)模型。在模糊推理的過(guò)程中,可以將影響結(jié)構(gòu)選型的某些定性、定量的因素綜合起來(lái),再根據(jù)所有相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析。由于在推理的過(guò)程中依據(jù)的是大量的真實(shí)數(shù)據(jù),因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí)具有一定的準(zhǔn)確性。「3」但是,運(yùn)用模糊推理的方法也有其自身的缺陷,就是在推理時(shí)考慮到的數(shù)據(jù)和因素具有極大不確定性和模糊性,在所有的因素影響下,高層建筑的結(jié)構(gòu)選型需要進(jìn)行多目標(biāo)決策。這個(gè)方法最大的優(yōu)勢(shì)在于,結(jié)構(gòu)選型能夠做到較為客觀與科學(xué)。

結(jié)語(yǔ)：

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)融合結(jié)構(gòu)分析、數(shù)學(xué)優(yōu)化與計(jì)算機(jī)技術(shù)等,作為綜合性技術(shù)工作其實(shí)用性非常強(qiáng)。隨著高層建筑的不斷發(fā)展,結(jié)構(gòu)體系越來(lái)越復(fù)雜,建筑平面功能越來(lái)越高,因此,在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選型方面的要求也不斷提高。基于高層建筑穩(wěn)定與安全的基礎(chǔ)上,對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與合理選型,從而不斷推動(dòng)高層建筑設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。

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