高艷霞

摘要：通過(guò)對(duì)風(fēng)荷載和高層建筑的基本特性進(jìn)行分析，得到基于風(fēng)荷載作用下設(shè)計(jì)高層建筑的體型，最后理論研究得出高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用響應(yīng)，可為在風(fēng)荷載作用下高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)荷載作用;高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在高層住宅建筑中，主要采用框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)。其中，框架結(jié)構(gòu)由桿件剛性連接構(gòu)成，能夠靈活進(jìn)行空間布置。但梁柱截面較小，使得結(jié)構(gòu)剛度小，側(cè)移大，抵抗力較差，不適用于地震區(qū)。剪力墻結(jié)構(gòu)則是首選結(jié)構(gòu)形式，能夠利用鋼筋混凝土墻體對(duì)水平力、豎向力進(jìn)行承載，利用剪力墻對(duì)墻體和樓板進(jìn)行較好連接^[1]。該種結(jié)構(gòu)剛度較大，具有較強(qiáng)抗震能力。框剪結(jié)構(gòu)是利用大剪力墻對(duì)部分框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行替代，利用樓板和連梁構(gòu)成結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)整體剛度得到提升，受水平荷載作用可以產(chǎn)生較高承載力。實(shí)際在高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮結(jié)構(gòu)延性，確保結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段依然維持較強(qiáng)變形能力，以免建筑發(fā)生坍塌問(wèn)題。結(jié)構(gòu)側(cè)移需要控制在一定限度范圍內(nèi)，避免水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)大側(cè)移變形。由于豎向荷載基本為確定數(shù)值，風(fēng)荷載、地震作用等將有所變化，水平荷載變化幅度較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保引發(fā)的軸力、彎矩能夠與樓房高度成正比，以免結(jié)構(gòu)受到過(guò)大影響^[2]。而在豎向荷載過(guò)大時(shí)，結(jié)構(gòu)柱將發(fā)生較大軸向變形，導(dǎo)致連續(xù)梁中間支座位置負(fù)彎矩變小，跨中正彎矩與端支座彎矩加大，影響結(jié)構(gòu)安全性。此外，高層住宅建筑需要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，保證建筑做到小震不壞、大震不倒。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的基本要求

2.1 結(jié)構(gòu)體系需要具有更加合理的地震作用途徑

在進(jìn)行對(duì)樓屋的豎向結(jié)構(gòu)和蓋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要令其具有的荷載垂直重力持續(xù)在最短路徑傳遞，保證力量傳遞至墻與豎向柱結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，需要盡可能的防止豎向構(gòu)件之間發(fā)生的垂直重力承擔(dān)的荷載重量超過(guò)一到二次的轉(zhuǎn)換再次傳遞到建筑的下部結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部的豎向構(gòu)件中。在此過(guò)程中，需要由支撐部分、筒體部分、剪力墻部分、框架部分等有機(jī)構(gòu)件組成的更有效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)方面需要保證體系明確，保證傳力更加直接，盡可能的保證貫通能夠連續(xù)，一旦發(fā)生順延豎向結(jié)構(gòu)的變化，就需要保證變化狀態(tài)均勻且緩慢。

2.2 結(jié)構(gòu)體系需要具備一定的承載能力

和對(duì)應(yīng)的變形能力因?yàn)橛袖摻罨炷翗?gòu)成的塑性內(nèi)力具有更好的重分布能力，需要在一定程度內(nèi)積極消耗并主動(dòng)吸收地震產(chǎn)生的能量。針對(duì)框架中產(chǎn)生的地震抗破壞機(jī)制則需進(jìn)一步保證其節(jié)點(diǎn)不會(huì)被主動(dòng)破壞，將各個(gè)處于同一水平中的柱體兩端歷程需做出有效延長(zhǎng)，達(dá)到其最長(zhǎng)值，其中，建筑的梁比柱的表現(xiàn)出的屈服現(xiàn)象還要進(jìn)行多發(fā)生和早發(fā)生的過(guò)程，保證底層柱底能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)，塑性方面則需要晚一些形成。在建筑的剪力墻體內(nèi)，需要保證各個(gè)墻段之間的變形能力足夠強(qiáng)，用于保證剪力墻能夠發(fā)揮出更加優(yōu)秀的抗震作用^[1]。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用響應(yīng)研究

3.1 結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究方法

根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)理論可以看出，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的研究方式主要是根據(jù)實(shí)際情況采取對(duì)應(yīng)的研究方式，一般情況下分為三種情況：模擬方法在高層建筑結(jié)構(gòu)受力響應(yīng)研究中是一種比較常用的研究方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬，最終得到風(fēng)荷載對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)受力的影響，包括風(fēng)洞模擬和數(shù)值模擬。理論計(jì)算在土木工程專業(yè)中，是教學(xué)的重點(diǎn)，更是學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)，理論研究包括頻域法和時(shí)域法，頻域法主要以隨機(jī)振動(dòng)理論為主，通過(guò)建立直接關(guān)系進(jìn)行計(jì)算;時(shí)域法是直接動(dòng)力法，直接投入計(jì)算公式計(jì)算。實(shí)地考察主要是應(yīng)用相應(yīng)的設(shè)備儀器進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容包括風(fēng)速、風(fēng)荷載的加速度、風(fēng)壓，最后將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并計(jì)算出風(fēng)荷載振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.2 風(fēng)荷載研究方法

在高層結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究中，主要研究是近地面空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的風(fēng)荷載，由于近地面風(fēng)沒(méi)有規(guī)律性，需要根據(jù)實(shí)際情況具體分析。按照風(fēng)向可以分為扭轉(zhuǎn)風(fēng)向、逆風(fēng)向和順風(fēng)向，在順風(fēng)向同樣需要根據(jù)具體情況具體分析，分為平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，平均風(fēng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜力荷載，高度越高對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)力就越高。脈動(dòng)風(fēng)屬于動(dòng)力性風(fēng)，主要受到振動(dòng)內(nèi)力、位移和加速度的影響。

4 基于風(fēng)荷載設(shè)計(jì)高層建筑體型

工程概況某高層住宅項(xiàng)目地上 35 層，1～5 層為商業(yè)建筑，6 層為轉(zhuǎn)換層，7 層及以上為住宅，地下一層，建設(shè)有停車場(chǎng)、消防通道。建筑采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，剪力墻直接落地。上部設(shè)置伸縮縫，凈寬 300mm，使地下室頂部與上部結(jié)構(gòu)保持獨(dú)立，左塔和右塔長(zhǎng)分別為 32.6m 和 56m。

4.1 加強(qiáng)高層建筑的平面設(shè)計(jì)

平面設(shè)計(jì)可采用橢圓形、圓形等流線形，與矩形平面相比具有更小的扭力矩、順風(fēng)力，具有低于矩形平面 20%～40%的風(fēng)荷載效應(yīng)，是高層建筑設(shè)計(jì)中重要的平面形式之一。正多邊平面具有較小的平面體型系數(shù)，具有多項(xiàng)對(duì)稱特征，橫風(fēng)力、順風(fēng)力之間的差別較小，在目前高層建筑的抗風(fēng)設(shè)計(jì)中較為常見(jiàn)，對(duì)平面轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)了銳角三角形的形態(tài)，為減少設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)力集中現(xiàn)象及角落效應(yīng)，宜采用切角處理方式。隨著建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格的多樣化，往往不能采用橢圓或正多邊形平面，較為常見(jiàn)的平面類型有十字、T、Y、L、H 以及槽形等復(fù)雜平面，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合最大風(fēng)向角，建筑迎風(fēng)面宜選擇迎風(fēng)面較小或風(fēng)荷載效應(yīng)較小的一面。因此高層建筑及超高層建筑，抗風(fēng)設(shè)計(jì)不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，更是建筑方案、總圖規(guī)劃等問(wèn)題。

4.2 加強(qiáng)體型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)可采用上小下大的臺(tái)體與錐體形式，該體型可減小建筑物的受力面積，避免較大風(fēng)荷載的影響。設(shè)置最佳的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)比例，高度以 H 表示，寬度以 B 表示，建筑長(zhǎng)度以 L 表示。L/B 范圍值應(yīng)控制在 2～3 之間，不宜大于 4，H/B 應(yīng)設(shè)置在 3～4 之間，不宜超過(guò) 6。

設(shè)計(jì)時(shí)可采用體型的變化達(dá)到調(diào)整抗側(cè)剛度分布的效果，如臺(tái)體與錐體的體型即具有剛度調(diào)整作用。體型上下等寬的結(jié)構(gòu)，可改變豎向構(gòu)件截面厚度的方式來(lái)調(diào)整側(cè)向剛度。采用并聯(lián)高層建筑群設(shè)計(jì)方式。單棟建筑相當(dāng)于一個(gè)懸臂構(gòu)件，而聯(lián)立多棟建筑頂部或中間部位，形成空間桁架效應(yīng)，則具有極大的抗側(cè)剛度。該結(jié)構(gòu)形式需與建筑方溝通，取得認(rèn)可后方可采用。但該結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，須進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

4.3 加強(qiáng)泄風(fēng)設(shè)計(jì)

對(duì)建筑平面深寬比較大，高度較高，具有弧形或折線形平面，在風(fēng)荷載作用下，會(huì)出現(xiàn)較大的共振作用及橫風(fēng)向效應(yīng)，使建筑尾部位置可能出現(xiàn)流體旋渦脫落現(xiàn)象，因此需要加強(qiáng)泄風(fēng)設(shè)計(jì)。泄風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合建筑周邊的實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)設(shè)備，利用立面透空特征，可在建筑物適宜高度設(shè)置泄風(fēng)開(kāi)口，對(duì)建筑整體進(jìn)行泄風(fēng)。加強(qiáng)底部泄風(fēng)，可在高層建筑的近地面位置設(shè)置挑棚，或在高層底部設(shè)置裙房，以減弱下沉渦流對(duì)底層的影響?？紤]泄風(fēng)發(fā)電，充分發(fā)揮建筑群間或建筑泄風(fēng)開(kāi)口的局部強(qiáng)風(fēng)效應(yīng)，設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)綠色資源利用。

4.4 結(jié)構(gòu)受力分析

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要對(duì)結(jié)構(gòu)豎向荷載和水平荷載作用力展開(kāi)分析，保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。剪力墻結(jié)構(gòu)受力具有一定復(fù)雜性，還要利用三維分析軟件完成結(jié)構(gòu)整體性能分析，確認(rèn)各部分是否存在薄弱環(huán)節(jié)。采用有限元分析軟件，可以對(duì)梁、柱等構(gòu)件配筋展開(kāi)分析，確認(rèn)各部分結(jié)構(gòu)能否達(dá)到使用要求。建筑采用剪力墻結(jié)構(gòu)為 A 級(jí)，結(jié)構(gòu)高寬比限值為 6。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況來(lái)看，左塔高寬比為 7.88，右塔為 6.8。從整體來(lái)看，工程高度比超出 100m，還要利用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行分析，研究風(fēng)載、地震作用等水平荷載作用下結(jié)構(gòu)整體抗傾覆情況，并對(duì)結(jié)構(gòu)墻、柱等豎向構(gòu)件抗壓力狀況展開(kāi)分析。通過(guò)對(duì)各部分結(jié)構(gòu)最大程度破壞展開(kāi)分析，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)配筋優(yōu)化提供依據(jù)，促使結(jié)構(gòu)整體性能得到改善。根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸，需要分別建立左塔和右塔結(jié)構(gòu)模型，達(dá)到基礎(chǔ)頂面，對(duì)嵌固層側(cè)向桿固定展開(kāi)分析。針對(duì)地下室部分，需要將 1-2 跨并入主體，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析。結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，按規(guī)范選擇 3 條地震波，開(kāi)展多遇地震下的動(dòng)力時(shí)程分析。建筑特征周期為 0.51s，結(jié)構(gòu)阻尼比為 0.05，地震波主分量峰值加速度為 35cm/s2。采用天然地震波對(duì)建筑底層剪力分析，能夠確認(rèn)底部剪力墻加強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求。在建筑嵌固端位置，上、下層剛度比能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而從局部結(jié)構(gòu)受力情況來(lái)看，在裙房屋面位置和局部收進(jìn)位置存在剛度和位移明顯變化，分別位于建筑第 7 層和第 29 層。盡管分析得到的指標(biāo)符合規(guī)范要求，但還應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，以免結(jié)構(gòu)發(fā)生突變問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于受到規(guī)劃布置、外觀設(shè)計(jì)和功能特性等要求，最終導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出平面不規(guī)則現(xiàn)象。平面不規(guī)則在受風(fēng)荷載作用的影響，會(huì)使整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)受力發(fā)生整體的變化，在各個(gè)不規(guī)則交接的地區(qū)產(chǎn)生變形集中和應(yīng)力集中的現(xiàn)象。對(duì)于平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)而言，不僅工作量大，同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)性，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要充分結(jié)合實(shí)際情況，同時(shí)應(yīng)用各種理論，這樣的設(shè)計(jì)才能最大化保證平面不規(guī)則高層建筑結(jié)構(gòu)的舒適性、穩(wěn)定性和安全性。

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