徐衍鵬 程乾

山東省魯商冰輪建筑設(shè)計有限公司 山東濟(jì)南 250101

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度日漸加快，高層建筑工程數(shù)量增多，結(jié)構(gòu)選型難度日漸加大。建筑結(jié)構(gòu)形式會直接影響到后續(xù)拓?fù)湓O(shè)計與構(gòu)件設(shè)計決策，應(yīng)充分結(jié)合建筑工程施工現(xiàn)場具體要求，選擇適宜的高層建筑結(jié)構(gòu)類型，對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行切實(shí)優(yōu)化。著重分析建筑使用功能、結(jié)構(gòu)安全合理性，確保設(shè)計出的建筑結(jié)構(gòu)方案能夠充分發(fā)揮出應(yīng)有的指導(dǎo)作用。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)特征

1.1 水平荷載

在高層建筑中，結(jié)構(gòu)自重及樓面應(yīng)用荷載會使豎向構(gòu)件出現(xiàn)軸力及彎矩，軸力、彎矩數(shù)值與建筑高度呈現(xiàn)正比關(guān)系。高層建筑結(jié)構(gòu)的水平荷載也會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾覆力矩以及對豎向構(gòu)件產(chǎn)生軸力，與建筑高度的二次方成正比關(guān)系。在建筑工程層數(shù)較高的情況下，豎向荷載大多為定值[1]。水平荷載會同時受到風(fēng)荷載及地震等作用力影響，隨結(jié)構(gòu)動力特征發(fā)生變化。因此在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員需著重關(guān)注水平荷載設(shè)計因素。

1.2 軸向變形

高層建筑的豎向荷載力較大，在實(shí)際建設(shè)與運(yùn)營過程中，結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)顯著的軸向變形，并對連續(xù)梁的彎矩產(chǎn)生直接影響，導(dǎo)致連續(xù)梁支座的負(fù)彎矩減少、跨中彎矩及端支座彎矩增大。同時，軸向變形力還會使預(yù)制構(gòu)件的下料過程更為復(fù)雜，需在構(gòu)件下料期間，結(jié)合軸向變形力矩的計算值，合理調(diào)整下料長度。軸向變形情況也會使構(gòu)件剪力與側(cè)移發(fā)生變化，如沒有對軸向變形情況進(jìn)行嚴(yán)格管控，會嚴(yán)重影響到后續(xù)工程建設(shè)期間的安全性。

1.3 側(cè)移

相較于普通高度建筑工程而言，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計期間需重點(diǎn)關(guān)注側(cè)移因素。在建筑高度不斷增加的情況下，水平荷載結(jié)構(gòu)下的側(cè)移變形速度加快，應(yīng)當(dāng)選擇適宜結(jié)構(gòu)體系與施工方式，將建筑工程整體水平荷載下的側(cè)移量控制在安全范圍標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 結(jié)構(gòu)延性

高層建筑結(jié)構(gòu)的柔性更強(qiáng)，在地震等外力作用下的變形問題更加嚴(yán)重。為確保高層建筑結(jié)構(gòu)在塑性變形階段后的變形能力符合安全標(biāo)準(zhǔn)，從根本上規(guī)避建筑倒塌問題，還需注重在結(jié)構(gòu)設(shè)計中選擇具備較強(qiáng)延性的材料以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件，切實(shí)提升高層建筑工程整體的抗震性能。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)體系

2.1 框架結(jié)構(gòu)

高層建筑工程框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部包括梁、柱、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是一種平面框架體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)需要與承重結(jié)構(gòu)、其他平面框架結(jié)構(gòu)連接在一起，形成空間結(jié)構(gòu)體系。在框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用過程中，可對建筑平面布置進(jìn)行靈活控制[2]。如在外墻中使用非承重構(gòu)件，使建筑立面設(shè)計的可變性更強(qiáng)，可切實(shí)滿足高層建筑工程觀賞要求與功能要求。

在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，梁及柱可借助節(jié)點(diǎn)形成承載結(jié)構(gòu)，施工流程較為便捷。但在建筑層高不斷增長的情況下，水平荷載作用的影響會使框架梁柱構(gòu)件的彎矩值及剪力值增大，導(dǎo)致后續(xù)建筑平面及空間設(shè)計更為復(fù)雜，因此該種結(jié)構(gòu)形式被主要應(yīng)用在非抗震區(qū)域及普通高層建筑工程中。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)主要就是將建筑墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的重要結(jié)構(gòu)體系。墻體也可作為建筑工程內(nèi)部空間規(guī)劃的部件，對高層建筑工程后期空間規(guī)劃具有直接影響。

通常情況下，高層建筑工程剪力墻結(jié)構(gòu)的間距一般為3-8米。在剪力墻結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土材料的情況下，墻體整體性能更好、剛度大、在水平荷載作用下的側(cè)向變形較小，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中。

剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能更為顯著，鋼材用量較少，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平及層間位移量均能夠被控制在合理范圍之內(nèi)[3]。同時，剪力墻結(jié)構(gòu)還有一定的延性，能夠?qū)⒄駝雍奢d力均勻傳給建筑整體結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的建筑工程結(jié)構(gòu)形式。

2.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)合體，可充分發(fā)揮出兩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢，切實(shí)保障高層建筑工程。在該結(jié)構(gòu)中，剪力墻主要肩負(fù)起承受水平荷載力的重要職責(zé)，框架結(jié)構(gòu)需協(xié)同剪力墻結(jié)構(gòu)，形成更加穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)體系。因剪力墻結(jié)構(gòu)的高度較大，可以承受大部分水平力與側(cè)移變形量，可以從根本上提升結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向剛度。框架需承受高層建筑豎向荷載，節(jié)約工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用空間。

通過將框架結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)配合使用，能夠在保障高層建筑結(jié)構(gòu)抗震能力、承載力的基礎(chǔ)上，提升結(jié)構(gòu)空間規(guī)劃期間的合理性，保障高層建筑工程整體建設(shè)效果。

2.4 簡體結(jié)構(gòu)

高層建筑中的簡體結(jié)構(gòu)主要有一個和多個簡體組成，用于幫助結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載力。簡體結(jié)構(gòu)具備空間受力性質(zhì)，可分為實(shí)腹筒與空腹筒兩種形式。其中，實(shí)腹筒主要由平面或曲面墻圍成，是三面豎向結(jié)構(gòu)單體?？崭箟t主要由密排樁、窗裙梁以及鋼筋混凝土外墻結(jié)構(gòu)組成，是一種空間受力構(gòu)件。

相較于其他結(jié)構(gòu)體系而言，簡體結(jié)構(gòu)的空間受力性能更為顯著。其內(nèi)部的高度及強(qiáng)度較大，抗風(fēng)力、抗震性能良好，被主要應(yīng)用在大跨度、超高層建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)選型重點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)選型可直接影響到后續(xù)結(jié)構(gòu)工程實(shí)施效果。在結(jié)構(gòu)選型期間，應(yīng)著重關(guān)注抗震設(shè)計，總結(jié)工程所在區(qū)域地震發(fā)生規(guī)律。配合使用結(jié)構(gòu)設(shè)計宏觀概念及類似工程案例設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系，滿足現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗震規(guī)定。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要求立體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備較強(qiáng)的抗震性能，具備多道抗震防線以及適宜的剛度與強(qiáng)度，避免在實(shí)際應(yīng)用期間出現(xiàn)豎面?zhèn)纫苿傂酝蛔兊葐栴}[4]。結(jié)構(gòu)選型還需要注重選擇風(fēng)壓結(jié)構(gòu)體系較小的形狀，以切實(shí)控制結(jié)構(gòu)的高寬。

高層建筑豎向及水平結(jié)構(gòu)體系與普通建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計基本相似，需著重關(guān)注對荷載要求較大的柱體、墻體與井筒等結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。側(cè)向力產(chǎn)生的側(cè)傾力矩與剪切力矩變形較大，也需要結(jié)合建筑工程具體施工要求，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計期間的管控力度。在豎向結(jié)構(gòu)體系設(shè)計過程中，還應(yīng)當(dāng)將風(fēng)荷載與地震因素，結(jié)合在一起，切實(shí)優(yōu)化豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

高層建筑工程側(cè)向荷載力對結(jié)構(gòu)整體的效應(yīng)不是線性，而是隨建筑層高的不斷增加而進(jìn)一步增長。在低層或多層建筑結(jié)構(gòu)恒載及活載設(shè)計工作開展期間，柱體、墻體及樓梯均可承受大部分水平荷載力。為確保高層建筑能夠抵抗較大的側(cè)向荷載及側(cè)移，需要進(jìn)行專門的結(jié)構(gòu)布置，適當(dāng)擴(kuò)大柱、梁以及板結(jié)構(gòu)的截面積。

4 高層建筑工程結(jié)構(gòu)選型案例

本文以某市一超高層建筑工程為例，該建筑工程總面積為112600.0平方米，地上層數(shù)為50層、地下3層，建筑總高度為210米。其中，結(jié)構(gòu)大屋面的高度為190米，高寬比為5.34。依據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定，該高層建筑工程的抗震防裂等級應(yīng)當(dāng)為6度，地震分組為第1組，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防?？蚣芘c核心筒抗震等級應(yīng)為二級，地面粗糙度為C類。

4.1 高層建筑結(jié)構(gòu)選型

通過細(xì)致分析施工現(xiàn)場地質(zhì)條件，評估地基結(jié)構(gòu)承載力，選擇使用框架-核心筒結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)方案設(shè)置期間，設(shè)計人員還提出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)三種方案。其中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部包括鋼筋混凝土框架、鋼筋混凝土核心筒、鋼筋混凝土樓板。鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部包括鋼梁、組合樓蓋以及支撐鋼框架的核心筒?；旌辖Y(jié)構(gòu)就是將鋼梁、組合樓蓋、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。

通過對不同方案技術(shù)可行性、技術(shù)實(shí)用性進(jìn)行對比分析，最終選擇混合結(jié)構(gòu)體系。

4.2 結(jié)構(gòu)布置方案

結(jié)合高層建筑工程結(jié)構(gòu)布局，在該工程側(cè)抗力體系結(jié)構(gòu)柱設(shè)計過程中，選擇使用22根方柱、20根方柱方案進(jìn)行對比分析。

在使用22根方柱時，外框架柱的數(shù)量較多、角部框架柱的布置較為集中，實(shí)際抗震效率較低。通過將框架梁與核心筒梁連接在一起，使結(jié)構(gòu)受力作用不合理。通過將角部外框架與核心筒結(jié)構(gòu)以斜梁的方式相交在一起，導(dǎo)致室內(nèi)空間美觀性下降[5]。

在使用20根方柱時，角柱的布置較為集中，可以有效減小端部角度尺寸，滿足建筑功能要求。因此經(jīng)過工程各參建單位的細(xì)致討論，最終確定高層建筑側(cè)抗力體系為20根方柱形式。

4.3 結(jié)構(gòu)材料選用

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，還需要著重關(guān)注結(jié)構(gòu)材料的選用工作。由于建筑層數(shù)較多，柱體結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載力顯著、柱截面積較大，空間占用量多，一定程度影響到建筑工程使用功能。設(shè)計人員提出全部使用鋼筋混凝土方柱材質(zhì)與1/3高度處使用型鋼混凝土方形柱的兩種材料選擇方案。經(jīng)過對材料應(yīng)用效果及材料應(yīng)用成本對比計算分析，選擇方柱全部使用鋼筋混凝土材質(zhì)。

加強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量檢驗(yàn)力度，要求選擇的結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量及各項(xiàng)性能符合建設(shè)要求，從根本上保障高層建筑工程總體建設(shè)水平。

5 高層建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對策

5.1 提升結(jié)構(gòu)抗震性能

為切實(shí)保障建筑用戶人身安全，確保高層建筑工程能夠抵御更大等級地震災(zāi)害，需要基于建筑類型，切實(shí)提升結(jié)構(gòu)抗震性能。在建筑側(cè)邊及樓梯間布置剪力墻，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性及穩(wěn)定性，確保各結(jié)構(gòu)均能夠發(fā)揮出應(yīng)有的工作性能。文化體育類高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的荷載力大、使用空間大、平面并不規(guī)則，需要在開展豎向結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作期間，著重關(guān)注柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，有效控制柱體結(jié)構(gòu)截面積，滿足高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間使用需求。

5.2 優(yōu)化建筑高度

高層建筑工程中，鋼梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍較廣，經(jīng)常會面對對比分析鋼骨混凝土柱、 混凝土梁與鋼管混凝土柱應(yīng)用性能的情況。通過使用鋼梁組合樓蓋結(jié)構(gòu)，能夠切實(shí)控制量數(shù)截面，滿足高層建筑結(jié)構(gòu)凈高度使用要求。通過在結(jié)構(gòu)中庭洞口中交錯布置鋼梁，也可切實(shí)提升直模環(huán)節(jié)施工效率，有效控制高層建筑標(biāo)準(zhǔn)層室內(nèi)梁高，室內(nèi)部凈高度可高出150-200毫米。現(xiàn)階段鋼梁構(gòu)件多數(shù)由工廠預(yù)制加工、現(xiàn)場統(tǒng)一拼裝即可，能夠有效控制工程施工期間的垃圾產(chǎn)出量，進(jìn)一步縮短工程施工周期。

5.3 優(yōu)化建筑荷載

高層建筑工程建設(shè)成本巨大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計期間需重點(diǎn)關(guān)注建設(shè)期間的綜合效益。要求在高層建筑地下室設(shè)計期間，應(yīng)當(dāng)切實(shí)滿足功能性、安全性要求，著重分析人防等荷載力，進(jìn)行合理的平面布置工作。

通過對比分析各類設(shè)計方案，發(fā)現(xiàn)在常規(guī)柱網(wǎng)為8.5米×8.5米的情況下，建筑荷載增大。使用大板結(jié)構(gòu)時，建筑物的含鋼量最低、經(jīng)濟(jì)效益最好。

為切實(shí)保障高層建筑建設(shè)及后期運(yùn)營水平，還應(yīng)當(dāng)配合使用先進(jìn)的設(shè)計軟件，對高層建筑工程結(jié)構(gòu)荷載力進(jìn)行模擬計算分析。發(fā)現(xiàn)存在于高層建筑結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中的危險因素，選擇適宜的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，從根本上提升結(jié)構(gòu)荷載力承受水平，確保高層建筑工程可實(shí)現(xiàn)安全可靠運(yùn)營目標(biāo)，抗震性能與經(jīng)濟(jì)性能符合實(shí)際設(shè)計要求。

6 結(jié)語

總而言之，在高層建筑工程結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，需要以提升空間利用率為基礎(chǔ)，保障高層建筑結(jié)構(gòu)安全平穩(wěn)性。現(xiàn)階段高層建筑結(jié)構(gòu)可分為框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)與簡體結(jié)構(gòu)。在實(shí)際選型過程中，設(shè)計人員需著重分析不同結(jié)構(gòu)的荷載力，確保選擇出的建筑結(jié)構(gòu)形式能夠更好滿足施工現(xiàn)場地質(zhì)條件、水文環(huán)境。在優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)方案時，對比分析不同建筑類型、高度、荷載力等性能，保障建筑設(shè)計方案的專項(xiàng)性與合理性。