王黨生

摘要：隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，以及建筑技術(shù)的成熟，高層建筑除了數(shù)量開始逐漸增多之外，建筑高度也在連漸增加，建筑風(fēng)格也發(fā)生了很大的變化。因此，研究高層建筑設(shè)計(jì)的原則是非常有意義的。本文從高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)展開分析，以高層建筑結(jié)構(gòu)和高層建筑結(jié)構(gòu)選型重點(diǎn)探討，使之保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為高層建筑的質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)選型

1高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1高層建筑抗震要求苛刻

高層建筑結(jié)構(gòu)受到自身特性的約束，和一般建筑有很大程度的不同。它在承受建筑結(jié)構(gòu)自身自重和活動(dòng)荷載組成的豎向荷載同時(shí)，還要承受有外界由風(fēng)壓以及水平地震作用所產(chǎn)生的水平荷載。很多時(shí)候，高層結(jié)構(gòu)還應(yīng)該考慮地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的豎向地震作用影響，由此可見高層建筑對(duì)于抗震能力的要求有多么苛刻。一般來講，多層建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載和豎向荷載作用下，受到的影響有限，但是高層就不同了。在外界地震作用之下，高層建筑受到的結(jié)構(gòu)破壞是毀滅的，而就風(fēng)壓方面而言，高層的外界風(fēng)力也是多層所不能比擬的。隨著建筑物高度的不斷增加，高層建筑過大的側(cè)移不會(huì)影響居住者的舒適程度，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響很大，過大的側(cè)移會(huì)損壞建筑的結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鑒于此，在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)的過程中，把側(cè)移控制在合理的范圍之內(nèi)是重要的標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能在實(shí)用性和安全性方面得到平衡。因此，可以說，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的核心內(nèi)容就是通過對(duì)外界地震作用以及風(fēng)壓作用的計(jì)算，做好抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1.2高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)定

（1）高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，10層和10層以上或房屋高度超過28m的建筑為高層建筑。

（2）民用建筑設(shè)計(jì)通則規(guī)定，以高度為24m、100m的住宅和公共建筑分別列為高層及超高層建筑，其防火要求不同。實(shí)際上結(jié)構(gòu)沒有確切的劃分低層、中層和高層的界限，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言影響設(shè)計(jì)的重要因素——水平荷載及其效應(yīng)是隨高度而漸變的。低層、中層和高層建筑都要承受豎向荷載和水平荷載（風(fēng)荷載及地震作用），其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理基本相同，但控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素不同；豎向荷載作用下的基底軸力與結(jié)構(gòu)高度成正比，水平荷載產(chǎn)生的基底剪力與結(jié)構(gòu)高度成正比；但水平荷載產(chǎn)生的總體傾覆力矩與結(jié)構(gòu)高度平方成正比，而頂點(diǎn)側(cè)移與結(jié)構(gòu)高度四次方成正比。低層建筑有豎向荷載控制，高層建筑一般由水平荷載控制。圖1為高層建筑物受力簡(jiǎn)圖。

說明隨著高度H的增加，起控制作用的底部彎矩和頂部側(cè)移隨之成平方和4次方增長。

由此可知，低層主要承受豎載；多層時(shí)同時(shí)考慮水平力（風(fēng)載、地震力）但不很突出；高層時(shí)水平力影響成為主要控制因素。

1.3水平荷載成為決定因素

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市中的工業(yè)發(fā)展十分迅速，并且大量的人口涌入城市，在對(duì)城市發(fā)展做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，也對(duì)城市的發(fā)展造成了一定的壓力。因?yàn)槌鞘兄械耐恋刭Y源是有限的，而人口卻在逐漸的增長，所以土地資源十分珍貴。為了滿足人們的需求，建筑的高度在逐漸的增加，越來越多的高層建筑、超高層建筑出現(xiàn)在人們的視野中。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就要對(duì)水平荷載進(jìn)行充分的考慮，隨著樓層的增加，水平荷載所產(chǎn)生的作用力也將越大，所以在考慮抗震性的同時(shí)要對(duì)水平荷載給予重視。并且水平荷載也越來越成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的決定性因素。

1.4抗震設(shè)計(jì)要求更高

抗震設(shè)計(jì)是每個(gè)建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都要考慮的問題，但是對(duì)于高層建筑而言就要提高標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)楦邔咏ㄖo論是在高度上還是在荷載的承受力方面都具有非常高的強(qiáng)度，所以要比普通建筑的標(biāo)準(zhǔn)提升很多，具有良好的抗震性能。

1.5高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的側(cè)移和振動(dòng)周期

結(jié)構(gòu)自振周期高層建筑的自振周期（T1）宜在下列范圍內(nèi)：框架結(jié)構(gòu)：T1=（0.1-0.15）N框一剪、框筒結(jié)構(gòu)：T1=（008-0.12）N剪力墻、筒中筒結(jié)構(gòu)：T1=（0.04-0.10）N，N為結(jié)構(gòu)層數(shù)。

結(jié)構(gòu)的第二周期和第三周期宜在下列范圍內(nèi)：第二周期：髓=（1/3-1/5）T1；第三周期：T3=（1/5-1H）T1。

共振問題當(dāng)建筑場(chǎng)地發(fā)生地震時(shí)，如果建筑物的自振周期和場(chǎng)地的特征周期接近，建筑物和場(chǎng)地就會(huì)發(fā)生共振。因此在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)針對(duì)預(yù)估的建筑場(chǎng)地特征周期，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù)，選擇合適的結(jié)構(gòu)類別和結(jié)構(gòu)體系，擴(kuò)大建筑物的自振周期與建筑場(chǎng)地特征周期的差別，避免共振的發(fā)生。

1.6延性是非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì)內(nèi)容

比對(duì)那些層數(shù)比較低的建筑體來講，高層的結(jié)構(gòu)具有更多的柔性意義，當(dāng)受到地震影響的時(shí)候，它的變形更厲害。為保證結(jié)構(gòu)能夠有優(yōu)秀的變形水平，防止塌陷現(xiàn)象發(fā)生，要重點(diǎn)在構(gòu)造上使用優(yōu)秀的方法，以此來確保其有著非常好的延性特點(diǎn)。

2高層建筑結(jié)構(gòu)的分析

2.1高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定

高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件（框架、剪力墻、簡(jiǎn)體等）通過水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。想要完全利用三維結(jié)構(gòu)作為研究的全部依據(jù)很不容易，各種方法都是為了更方便簡(jiǎn)化的完成模型計(jì)算，以下是通常能有效利用的假定。

2.2軸向變形不容忽視

對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)，由于層數(shù)多，高度大，軸力值很大，沿高度積累的軸向變形很顯著，軸向變形會(huì)使高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力數(shù)值與分布產(chǎn)生顯著的改變。對(duì)連續(xù)梁彎矩的影響：由于中柱和邊柱的軸向壓縮變形不同，往往會(huì)使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值及跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩發(fā)生變化。對(duì)構(gòu)件剪力和側(cè)移的影響，在考慮豎向桿件軸向變形與不考慮豎桿件軸向變形相比較，各構(gòu)件水平剪力和側(cè)移都會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。由此可見，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)件的軸向變形必須列入到設(shè)計(jì)考慮的范圍中采。

2.3小變彤假定

小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對(duì)幾何非線性問題（P-A效應(yīng)）進(jìn)行了一些研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點(diǎn)水平位移△與建筑物高度H的比值A(chǔ)/H>1/500時(shí)，P-△效應(yīng)的影響就不能忽視了。

2.4彈性假定

目前工程上實(shí)用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性計(jì)算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，但是在遭受罕見地震或強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)往往會(huì)產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)進(jìn)入到彈塑性工作階段。此時(shí)仍接彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移時(shí)不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作狀態(tài)，應(yīng)按彈塑性動(dòng)力分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.5剛性樓板假定

許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)的自由度，簡(jiǎn)化了計(jì)算方法。并為采用空間薄壁桿件理論提供了便利。一般來說，對(duì)框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對(duì)于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，樓板剛度較小，主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過大或?qū)訑?shù)較少等情況，會(huì)使樓板變形較大。特別是對(duì)結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯?？蓪⑦@些樓層的剪力作適當(dāng)調(diào)整來考慮這種影響。

2.6計(jì)算圖形的假定

高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計(jì)算圖形有三種：一維協(xié)同分析。使用這一辦法，只注意側(cè)力構(gòu)件與位移自由之間的協(xié)調(diào)，并利用水平力的推動(dòng)下，把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單地看作是被水平力推動(dòng)的抗側(cè)力所影響的平面，依據(jù)對(duì)剛性樓板進(jìn)行的假定，一個(gè)樓面內(nèi)所存存在的構(gòu)件標(biāo)高構(gòu)件移動(dòng)相似，可以看作是等值，用這一辦法能夠創(chuàng)建一維方程，而受到扭矩的影響，要依照同層樓板上各抗側(cè)力構(gòu)件轉(zhuǎn)角相等的條件建立基本方程。一維協(xié)同分析方法被使用的幾率很大，各種形式都有所利用。

二維協(xié)同分析。二維協(xié)同分析雖然仍將單榀抗側(cè)力構(gòu)件視為平面結(jié)構(gòu)，但考慮了同層樓板上各榀抗側(cè)力構(gòu)件在樓面內(nèi)的變形協(xié)調(diào)?？v橫兩方向的抗側(cè)力構(gòu)件共同工作，同時(shí)計(jì)算；扭矩與水平力同時(shí)計(jì)算。在引入剛性樓板假定后，每層樓板有三個(gè)自由度u，v，o（當(dāng)考慮樓板翹曲是有四個(gè)自由度），樓面內(nèi)各抗側(cè)力構(gòu)件的位移均由這三個(gè)自由度確定。剪力樓板位移與其對(duì)應(yīng)外力作用的平衡方程，用矩陣位移法求解。二維協(xié)同分析主要為中小微型計(jì)算機(jī)上的桿系結(jié)構(gòu)分析程序所采用。

三維空間分析。二維協(xié)同有所缺陷，對(duì)位移和力的考慮并不全面，并且，對(duì)剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度等的空間筒體的處理是不算精確的，三維空間所表達(dá)的內(nèi)容有所增大，自由度按照理論原則的不同可以分別產(chǎn)生6～7個(gè)，同時(shí)，對(duì)于翹曲等問題也考慮在當(dāng)中，使得對(duì)問題的反應(yīng)更全面更立體。

3高層建筑結(jié)構(gòu)選型

3.1高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型

在高層建筑施工的過程中，其施工工藝十分重要，不僅對(duì)建筑的質(zhì)量、進(jìn)度和工期有所影響，同時(shí)還會(huì)影響到建筑結(jié)構(gòu)承受荷載的能力以及抗震性的強(qiáng)弱。所以說在對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行選型階段，要對(duì)施工工藝給予一定的重視。

3.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系

在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻作為承重構(gòu)件不僅承受豎向荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，還需要具備抵抗地震作用的能力。剪力墻沿橫向和縱向正交布置或斜交布置，它的主要特點(diǎn)是剛度大、用鋼量少、空間整體性好。在高層住宅中，由于房間面積一般不大，而且分隔墻較多，用戶對(duì)建筑沒有大空間的要求，可以將剪力墻與分隔墻合二為一，降低了建筑物的造價(jià)，節(jié)約成本。同時(shí)剪力墻可以隱藏在填充墻中，使房間不露梁柱，使建筑達(dá)到很好的整體美觀效果。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)受到開發(fā)商和業(yè)主的廣泛歡迎，使得該結(jié)構(gòu)體系在高層住宅中得以廣泛應(yīng)用。

3.3簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)體系

凡采用簡(jiǎn)體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)體體系，包括單簡(jiǎn)體、簡(jiǎn)體一框架、簡(jiǎn)中簡(jiǎn)、多束簡(jiǎn)等多種型式。簡(jiǎn)體是一種空間受力構(gòu)件，分實(shí)腹簡(jiǎn)和空腹簡(jiǎn)兩種類型。實(shí)腹簡(jiǎn)是由平面或曲面墻圍成的二維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹簡(jiǎn)是由密排柱和窗裙粱或開孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。簡(jiǎn)體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

4結(jié)束語

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的綜合性工作，是整個(gè)建筑質(zhì)量的最基礎(chǔ)保證。隨著經(jīng)濟(jì)水平的迅猛發(fā)展及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜多元，為此隨著我國國力的的不斷增強(qiáng)，我們不僅應(yīng)該借鑒外國先進(jìn)的建筑技術(shù)，更加應(yīng)該注意密切結(jié)合我國的具體國情。這樣，我們必將能走出一條具有中國特色的高層建筑之路。