侯彥軍

山西呂梁市供熱集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 呂梁 033001

隨著時(shí)代的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程持續(xù)加快，城市中的土地資源有限，要求增加高層建筑的數(shù)量，其不僅能夠?qū)幼栴}進(jìn)行有效解決，同時(shí)內(nèi)容能夠給對(duì)城市中有限的土地資源進(jìn)行充分利用[1]。高層建筑工程的實(shí)際建設(shè)中，需要使用到鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)，需要對(duì)鋼混結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理應(yīng)用，強(qiáng)化提升其抗風(fēng)、抗震的作用，確保高層建筑工程的使用質(zhì)量。本文從高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)談起，闡述在高層建筑構(gòu)造中的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)體系，與框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)施。研究高層建筑所涉及的系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方法，分析各種重力和橫向系統(tǒng)及其在高層建筑中的行為。重點(diǎn)關(guān)注高層建筑中各種橫向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)行為[2]。

1 設(shè)計(jì)理念

1.1 選擇的材料

鋼被選為主要材料。這是因?yàn)榕c混凝土或復(fù)合材料相比，鋼材來設(shè)計(jì)和估算鋼構(gòu)件的尺寸應(yīng)用更為廣泛。事實(shí)上，許多高層建筑都是綜合設(shè)計(jì)的，通常是用混凝土包裹鋼筋。重力框架的梁和柱采用典型的寬翼緣截面，核心系統(tǒng)(承受重力和橫向荷載)采用鋼筋混凝土。

1.2 重力系統(tǒng)

本文假設(shè)高層建筑用于住宅或商務(wù)工作產(chǎn)所使用這個(gè)項(xiàng)目，一般每平方英尺的活負(fù)荷為40磅。

重力框架布局可以根據(jù)使用的每個(gè)橫向系統(tǒng)而改變。大部分資料認(rèn)為需要檢測兩個(gè)核心。本文只研究了一個(gè)核心，主要原因有三點(diǎn)，一、鋼框架必須與混凝土核心對(duì)齊；二、斜網(wǎng)格系統(tǒng)周圍沒有垂直的柱，改變了建筑結(jié)構(gòu)的布局；三、斜構(gòu)件承擔(dān)了橫向和重力荷載。

1.3 研究案例的結(jié)構(gòu)尺寸及高度

樓層高度和結(jié)構(gòu)的整體高度是基于一個(gè)典型的鋼梁的設(shè)計(jì)。然后根據(jù)結(jié)構(gòu)框架、機(jī)械要求、照明和附加的施工公差計(jì)算樓層高度。住宅層高為4m，天花板高度為2.8m。底層一般會(huì)增加1.5m，以提供一個(gè)大型大廳和入口，使建筑的總高度達(dá)到240m。

1.4 軸向縮短

軸向縮短的概念是高層建筑中的一個(gè)主要問題。從屋頂?shù)降孛娴闹亓d荷呈指數(shù)增長[3]。這些巨大的軸向載荷會(huì)導(dǎo)致垂直構(gòu)件的縮短。鋼、混凝土和組合截面都易受此影響，必須特別考慮以確保軸向縮短的影響不太大（如圖1所示）。如果沒有適當(dāng)?shù)目紤]，整個(gè)結(jié)構(gòu)可能會(huì)有很大的變形(多達(dá)十多厘米)，并影響結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)部件。

2 橫向加載

2.1 風(fēng)與地震

由于區(qū)域的原因，需要同時(shí)考慮風(fēng)和地震荷載。如前所述，風(fēng)壓是通過ASCE 7-16的定向程序估算的。此外，地震荷載采用了ASCE 7-16的等效側(cè)向力程序。下面是層剪對(duì)比風(fēng)和地震層剪的圖表（圖2所示）。

圖2 風(fēng)和地震荷載作用下的樓層剪切力

如上所示，南北方向風(fēng)引起的基底切變支配著地震基底切變。有趣的是，由于地震引起的樓層剪切力和樓層力實(shí)際上比靠近建筑物頂部的風(fēng)要高。在這個(gè)項(xiàng)目中，風(fēng)被認(rèn)為是主導(dǎo)的情況，盡管在現(xiàn)實(shí)中，地震層力在一些地方起主導(dǎo)作用。

2.2 風(fēng)的其他影響

在高層建筑中，旋渦脫落是一個(gè)主要的問題，它取決于建筑的形狀和形式。建筑的形狀很大程度上影響了渦旋撕碎和側(cè)風(fēng)運(yùn)動(dòng)的大小。

3 橫向系統(tǒng)研究

通過研究和參數(shù)化的計(jì)算機(jī)建模，選擇了三個(gè)橫向系統(tǒng)進(jìn)行研究。觀察了每個(gè)系統(tǒng)的行為，以及參數(shù)的變化如何影響撓度、核心的彎矩和各種構(gòu)件的軸向力。橫向荷載分布假設(shè)為分布荷載分解為均布荷載和三角形荷載。在SAP20OO模型中，這些荷載分布在10層樓高的模塊中。在ETABS模型中，基于支流面積計(jì)算實(shí)際層力，并應(yīng)用于每層。

3.1 混凝土芯結(jié)構(gòu)

本文以建筑中心的鋼筋混凝土核心為研究對(duì)象。它被理想化為一個(gè)“管”截面，忽略了每層的開口。它還假設(shè)在建筑物的高度上有一個(gè)恒定的壁厚。

研究模型在平面視圖下為30ft × 60ft的配置，并觀察彎曲撓度（如圖3所示）。對(duì)于高層建筑，核心的彎曲撓度要比剪力撓度大得多[4]。對(duì)于關(guān)于弱軸彎曲，剪切撓度僅為36''壁厚總彎曲撓度的0.5%。因此忽略剪力撓度，分析頂板彎曲撓度。強(qiáng)弱兩個(gè)方向?qū)捀弑葹椋?）弱方向:H/L =785'/30' = 26.17；（2）強(qiáng)方向：H/L = 785'/60' = 13.1。

圖3 研究假設(shè)的加載和配置

本文對(duì)芯壁的厚度進(jìn)行了研究，以找出芯壁在多大厚度下可以最好地減少撓度，使其在允許的范圍內(nèi)(圖4)。允許的偏差限制是18.84英寸，基于H/500，其中H是建筑的總高度(785英尺)。

圖4 混凝土核心研究彎曲撓度參數(shù)研究

由于彎曲撓度大大高于允許的，一個(gè)單獨(dú)的研究檢查了各種結(jié)構(gòu)高度及其相應(yīng)的撓度。假設(shè)相同的載荷和撓度標(biāo)準(zhǔn)的H/500，一個(gè)36英寸厚的核心墻測量30ft × 60ft比較了各種高度。結(jié)果表明，過去大約40層，或大約30層，核心系統(tǒng)已不再有效或不能抵抗假定的風(fēng)荷載下的彎曲撓度。假設(shè)相同的建筑寬度，因?yàn)橹挥懈叨仍谧兓?，長寬比將會(huì)下降。在400ft，縱橫比是6.67和13.33(其中H=400ft和L = 60ft或30ft取決于方向)。與高寬比為13.1和26.17時(shí)，H=785英尺，可以得出一些結(jié)論，限制撓度時(shí)，高寬比如此之大。這一觀察值得注意，因?yàn)楫?dāng)寬度(L)增加到建筑的全寬時(shí)，支腿和斜桁系統(tǒng)的長寬比降低了。

圖5中總結(jié)的研究結(jié)果，在上圖中，結(jié)構(gòu)限制在35到50層。

圖5 不同高度下核心系統(tǒng)的有效性檢驗(yàn)

3.2 懸臂梁結(jié)構(gòu)

伸臂系統(tǒng)使用伸臂，或水平構(gòu)件“延伸”到垂直柱，以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并從非常細(xì)長的核心增加縱橫比。支腿就像滑雪者的手臂，垂直的柱子就像固定在地面的滑雪桿。這些懸臂梁通過拉力/壓縮力耦合將核心的橫向載荷轉(zhuǎn)移到周邊柱。帶桁架通常與支腿架一起使用，以接合所有的周邊柱。支腿只與與之相連的柱子相嚙合。皮帶桁架提供了一個(gè)封閉的“環(huán)”或“管”連接到所有周邊的柱，并幫助轉(zhuǎn)移的力量在懸臂梁周圍的所有柱。

在減少頂板撓度、核心彎矩和柱軸向力的能力方面，將單個(gè)支腿與兩個(gè)支腿進(jìn)行了比較（如圖6所示）。

圖6 不同支腿位置的頂板撓度比較

沿建筑物高度三分之一處有兩個(gè)支腿的結(jié)構(gòu)在減少撓度方面是最好的。還應(yīng)注意的是，堆芯中的力矩是從單堆芯開始減少的，減少的量取決于所使用的支腿架的位置和數(shù)量。這種彎矩的減少是由拉/壓縮耦合力在柱和重要的考慮，因?yàn)檫@些大的軸向力有助于進(jìn)一步軸向縮短柱。比較這些彎矩在核心和軸向力在柱顯示如下（圖7和圖8）。

圖7 使用支腿時(shí)底座混凝土核心的力矩比較

圖8 由伸臂接合的底座柱的軸向力比較

3.3 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

對(duì)角線是最后一項(xiàng)研究，研究了各種構(gòu)型。

對(duì)于長寬比在4:1 ~ 9:1之間的高層建筑，最適宜的支撐角度在60 ~ 70度之間[4]。這一最佳范圍是由耶魯大學(xué)的Kyoung Sun Moon對(duì)一座118英尺乘118英尺的60層建筑進(jìn)行研究后確定的。研究還發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)范圍內(nèi)，最有效的角度是69度。對(duì)于參數(shù)研究，選擇69度角和52度角(略超出最佳范圍)進(jìn)行比較。通過改變每條對(duì)角線跨度的樓層數(shù)，對(duì)角線成員的數(shù)量也進(jìn)行了比較。配置如圖9，結(jié)果如圖10。

圖9 對(duì)角網(wǎng)格參數(shù)研究的配置

圖10 種不同斜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)頂板撓度比較

4 總結(jié)

在研究了高層建筑的行為后，主要結(jié)論如下。

4.1 高層建筑很復(fù)雜

高層建筑中的系統(tǒng)可能非常復(fù)雜，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的規(guī)?？赡鼙任以诘蛯咏ㄖ惺褂玫囊蟮枚?。加載和行為很少是線性的，需要更多的考慮。橫向荷載是動(dòng)態(tài)的，重力荷載是指數(shù)級(jí)的，所有系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須共同工作，以充分傳遞力和限制撓度。

4.2 小心信任計(jì)算機(jī)程序

通過本項(xiàng)目的分析研究，一個(gè)非常重要的經(jīng)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)程序的可信性和有效性判斷。特別是對(duì)于規(guī)模較大、從未設(shè)計(jì)和分析過的高層建筑，很難判斷構(gòu)件受力是否合理。必須借助計(jì)算機(jī)建立準(zhǔn)確的模型，以便得到是合理設(shè)計(jì)[5]。

4.3 高層建筑需要多個(gè)連接系統(tǒng)

本文研究了幾個(gè)系統(tǒng)來理解它們的行為，然而高層建筑經(jīng)常使用許多不同的系統(tǒng)，甚至使用“超大”系統(tǒng)，其中成員的規(guī)模很大。