摘 要：我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展與激烈化商業(yè)競爭，促使了高層建筑的出現(xiàn)和發(fā)展。隨著高層建筑規(guī)模的不斷擴(kuò)大，建筑高度的不斷增加，其結(jié)構(gòu)體系越來越多樣化，建筑功能及類型也越來越復(fù)雜，這就給高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，本文主要就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)問題進(jìn)行了深入的分析，望能為同行業(yè)工作人員提供一定的參考和幫助。
關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)體系；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Abstract: The rapid development of China's economy and the fierce business competition, led to the emergence of the high-rise building and development. With the continuous expansion of the scale of the high-rise buildings, building height increasing, the structure of the system more and more diversified, building functions and types are more complex, this gives the structure design of high-rise building presents new opportunities and challenges, the paper analyzed related problems in the structure design of high-rise building, can look for the same industry staff to provide some reference and help.
Key words: high-rise building; structural system; structure design
中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號
1 常用高層建筑結(jié)構(gòu)體系受力特點(diǎn)分析
1.1 框架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)體系它是由基礎(chǔ)、樓板、柱、梁這4種承重構(gòu)件所組成的。基礎(chǔ)、柱和梁一起構(gòu)成平面框架是主要的承重結(jié)構(gòu)�？蚣芙Y(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活,可形成較大的建筑空間,建筑立面處理也較方便;整體性、抗震性能好,具有較好的塑性變形能力。但是,框架結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度小,當(dāng)層數(shù)過多時(shí),會產(chǎn)生過大的側(cè)移,從而差限制了框架結(jié)構(gòu)的建造高度。
1.2 框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常采用的是框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系,即把框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)共同組合在一起形成的結(jié)構(gòu)體系,豎向荷載由框架和剪力墻等豎向承重單體共同承擔(dān),水平荷載則主要由剪力墻這一具有較大剛度的抗側(cè)力單元來承擔(dān)。剪力墻的設(shè)置,大幅增加了高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度,使其水平側(cè)向位移大幅減小;同時(shí),框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作使各層層間變形趨于均勻,所以框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系的建筑能建高度要顯著高于框架結(jié)構(gòu)。
1.3 剪力墻結(jié)構(gòu)。由墻體承受全部水平作用和豎向荷載的結(jié)構(gòu)體系稱為剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻結(jié)構(gòu)體系屬于明顯的剛性結(jié)構(gòu),且傳力均勻、直接。其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度都相對較高,但同時(shí)也具有一定的延性。結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)、地震作用等水平大荷載作用下,結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移能有效控制,具有良好的結(jié)構(gòu)整體性能,抗倒塌能力強(qiáng),其能建高度大幅高于框架或框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系。
1.4 筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)體系由筒體為主的結(jié)構(gòu)稱為筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)體系的高層建筑結(jié)構(gòu)具有非常大的強(qiáng)度和剛度,結(jié)構(gòu)體系中各構(gòu)件的受力分配合理,抗風(fēng)、抗震性能相對框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)更強(qiáng),往往應(yīng)用于大空間、大跨度要求的高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。
2 各類結(jié)構(gòu)體系采用的分析方法
2.1框架一剪力墻體系�？蚣芤患袅Y(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算的方法很多，大都采用連梁連續(xù)化假定。由剪力墻與框架水平位移或轉(zhuǎn)角相等的位移協(xié)調(diào)條件，可以建立位移與外荷載之間關(guān)系的微分方程來求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同。框架一剪力墻的計(jì)算方法，通常是將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效壁式框架，采用桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法求解。
2.2剪力墻體系。剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、特殊開洞墻、框支墻等各種類型。不同類型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不同，計(jì)算內(nèi)力與位移時(shí)需采用相應(yīng)的計(jì)算方法。剪力墻結(jié)構(gòu)的機(jī)算方法是平面有限單元法。此法較為精確，而且對各類剪力墻都能適用。但因其自由度較多，計(jì)算機(jī)資源耗費(fèi)較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支剪力墻的轉(zhuǎn)換層等應(yīng)力分布復(fù)雜的情況
2.3筒體結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對計(jì)算模型處理手法的不同可分為三類:等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。
等效連續(xù)化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。一種是只作幾何分布上的連續(xù)化，以便用連續(xù)函數(shù)描述其內(nèi)力；另一種是作幾何和物理上的連續(xù)處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應(yīng)用分析彈性薄板的各種有效方法。具體應(yīng)用有連續(xù)化微分方程解法、框筒近似解法、擬殼法、能量法、有限單元法、有限條法等。等效離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，以便應(yīng)用適合桿系結(jié)構(gòu)的方法來分析。這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子結(jié)構(gòu)法等。具體應(yīng)用包括等代角柱法、展開平面框架法、核心筒的框架分析法、平面框架子結(jié)構(gòu)法。比等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計(jì)算模型是完全按三維空間結(jié)構(gòu)來分析筒體結(jié)構(gòu)體系，其中應(yīng)用最廣的是空間桿—薄壁桿系矩陣位移法。這種方法將高層結(jié)構(gòu)體系視為由空間梁元、空間柱元和薄壁柱元組合而成的空間桿系結(jié)構(gòu)�？臻g梁柱每端節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度。核心筒或剪力墻的墻肢采用符拉索夫薄壁桿件理論分析，每端節(jié)點(diǎn)有7個(gè)自由度，比空間桿增加一個(gè)翹曲自由度，對應(yīng)的內(nèi)力是雙彎矩。三維空間分析精度較高，但它的未知量較多，計(jì)算量較大，在不引入其它假定時(shí)，每一樓層的總自由度數(shù)為6Nc+7Nw（Nc、Nw為柱及墻肢數(shù)目）。通常均引入剛性樓板假定，并假定同一樓面上各薄壁柱的翹曲角相等，這樣每一樓層總自由度數(shù)降為3（Nc+Nw）＋4，這是目前工程上采用最多的計(jì)算模型。
3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題分析研究
3.1結(jié)構(gòu)選型中常見的問題。一是結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。與舊規(guī)范相比，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，而且新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案”。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)上要嚴(yán)格遵守新規(guī)范的要求，避免不必要的麻煩。二是嵌固端的設(shè)置問題。由于高層建筑一般都帶有人防和地下室，嵌固端有可能設(shè)置在人防頂板，也可能設(shè)置在地下室頂板等位置。三是結(jié)構(gòu)的超高問題。隨著建筑物高度的增加，導(dǎo)致了很多影響因素的有些參數(shù)本身超出了現(xiàn)有規(guī)范的適宜范圍，發(fā)生了質(zhì)變，比如力學(xué)模型選取、材料性能、延性要求、荷載取值、安全指標(biāo)等，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)的過程對該項(xiàng)控制因素應(yīng)該嚴(yán)格注意
3.2結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算中常見的問題。一是結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的軟件選擇。由于各種軟件在計(jì)算模型上存在著一定的差異，從而導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果存在或多或少的差異。因此，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)工作中首要的工作就是依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)選擇合理的計(jì)算軟件，如果選擇了不合適的計(jì)算軟件，不但會浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力，而且有可能使結(jié)構(gòu)有不安全的隱患存在。二是振型數(shù)目是否足夠。與舊規(guī)范相比，在新規(guī)范中增加一個(gè)振型參與系數(shù)的概念，而且還明確指出該參數(shù)的限值。結(jié)構(gòu)的層數(shù)與振型數(shù)的多少有關(guān)，因此，在計(jì)算分析階段必須對計(jì)算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行判斷，并決定是否要調(diào)整振型數(shù)目的取值。三是考慮是否需要分開計(jì)算，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與設(shè)計(jì)。對高層建筑進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)結(jié)構(gòu)工程師必須要考慮是將結(jié)構(gòu)人為地分開進(jìn)行計(jì)算，還是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類型進(jìn)行計(jì)算。如果多塔間剛度相差較大，可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求的情況，但是這也有是地震力計(jì)算誤差造成，因此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。在高層建筑中，會存在一些由于建筑功能或美觀要求且非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，比如高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件等，因?yàn)楦邔咏ㄖ娘L(fēng)荷載和地震作用均較大，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)的過程必須嚴(yán)格按照新規(guī)范要求對非結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算處理再進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.3連梁超筋問題。連梁超筋是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一種常見現(xiàn)象。計(jì)算剪力不滿足剪壓比要求從而導(dǎo)致了連梁超筋。連梁易超筋的部位，某墻段中，在大墻肢上的連梁易超筋，由于墻肢截面高度大小懸殊不均勻所造成； 平面中，當(dāng)墻段較長時(shí)其中部的連梁易超筋； 一般剪力墻結(jié)構(gòu)中，在樓層總高度 1/3處連梁易超筋。
3.4軸壓比的問題。在鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)中，通過增大柱的截面來控制柱的軸壓比，即使使用高強(qiáng)混凝土，也不能明顯減小柱斷面尺寸。限制柱的軸壓比的目的是為了防止受拉鋼筋未達(dá)屈服而混凝土被壓碎。如果柱的塑性變形能力小表明其結(jié)構(gòu)的延性很差，也就說抗震能力差，遭遇地震時(shí)結(jié)構(gòu)容易被破壞。但是如果在結(jié)構(gòu)中保證強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)，使其具有良好延性，此時(shí)可放松軸壓比限值。
4 結(jié)語
隨著高層建筑進(jìn)一步的發(fā)展，滿足高層建筑的形式，材料，力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜多元，為了革新高層建筑，設(shè)計(jì)者和工程師應(yīng)追求新的結(jié)構(gòu)形式和更加合理的力學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)建筑主體更優(yōu)化。
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