復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

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［摘要］隨著經(jīng)濟(jì)水平的提升，城市發(fā)展中對(duì)于復(fù)雜高層和超高層建筑的地標(biāo)類建筑的需求更多，同時(shí)也為建筑行業(yè)的高速發(fā)展提供了更好的發(fā)展平臺(tái)。建筑行業(yè)的同質(zhì)化競爭日趨激烈，開發(fā)企業(yè)也對(duì)建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量高度重視。為提高建筑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為施工提供可靠的理論依據(jù)。基于此將介紹建筑結(jié)構(gòu)方案選擇的重要性，并說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題，最后闡述復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

［關(guān)鍵詞］復(fù)雜高層；超高層；建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1結(jié)構(gòu)方案的選擇

1.1結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)類型

在復(fù)雜高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，選擇合理的結(jié)構(gòu)方案才能夠保證設(shè)計(jì)質(zhì)量[1]。倘若未根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況考慮，很容易在后續(xù)的設(shè)計(jì)過程中有大幅調(diào)整或顛覆性改動(dòng)，這在一定程度上增加了建筑的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)增加了設(shè)計(jì)人員的工作量，在后續(xù)的施工過程中也會(huì)大幅增加建筑工程成本。所以，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合分析，進(jìn)而讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確立更加合理。在確定建筑單體的結(jié)構(gòu)類型前，應(yīng)首先考慮場地的地質(zhì)構(gòu)造，并明確建筑的抗震能力，結(jié)合功能和建筑所處地段明確抗震等級(jí)。這樣在一定程度上減少了成本支出，提高了建筑的經(jīng)濟(jì)效益[2]。換言之，在對(duì)復(fù)雜高層和超高層建筑設(shè)計(jì)過程中，須充分地考慮結(jié)構(gòu)方案的合理性并兼顧工程造價(jià)和施工合理性。

1.2結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)類型選擇的要點(diǎn)

對(duì)于復(fù)雜高層和超高層建筑而言，在選擇結(jié)構(gòu)方案時(shí)應(yīng)更加注重概念設(shè)計(jì)，通過大量的案例分析能夠看出，應(yīng)盡量保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和規(guī)則性，明確結(jié)構(gòu)內(nèi)力傳力路徑合理正確[3]。如何保障復(fù)雜高層和超高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，一直都是專業(yè)人員研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

2.1抗震設(shè)防烈度

復(fù)雜建筑和超高層建筑的特點(diǎn)就是一旦整體高度較高，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會(huì)受到影響，比如建筑高度已經(jīng)達(dá)100m以上，那么應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來確定整個(gè)建筑的實(shí)際高度[4]。常規(guī)來講，抗震烈度為8°的地區(qū)不能建超過300m以上的建筑。首先明確抗震烈度才能夠保證復(fù)雜高層和超高層建筑的建設(shè)可行性。有相關(guān)國家規(guī)范規(guī)程指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此來確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，能更好地保證人們?cè)谑褂媒ㄖ^程中的舒適度和人身財(cái)產(chǎn)的安全。在設(shè)計(jì)工程中安全應(yīng)是第一考量，所以提高重視結(jié)構(gòu)抗震的理念，能夠更好地保證復(fù)雜建筑和超高層建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.2保證方案合理

建筑設(shè)計(jì)是否合理首先從結(jié)構(gòu)方案是否正確考慮，特別是在復(fù)雜建筑和超高層建筑設(shè)計(jì)過程中，沒有合理的方案，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程存在很大問題，而且會(huì)直接影響施工，耗費(fèi)多余的建造成本[5]。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)施工現(xiàn)場需求和建材市場也有所了解，多參考材料和造價(jià)等方面的因素，制訂多種可行方案，在其中選擇更合適的方案。

3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

復(fù)雜高層的類型包括轉(zhuǎn)化層、加強(qiáng)層、錯(cuò)層、連體結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面。而防止復(fù)雜結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)倒塌就變得尤為重要。從概念設(shè)計(jì)方面而言，增加結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的剛性連接，避免或少采用靜定結(jié)構(gòu)構(gòu)件。相同條件下可優(yōu)先采用超靜定結(jié)構(gòu)。為結(jié)構(gòu)整體和局部結(jié)構(gòu)體系建立多道傳力路徑，可作為意外或者不可抗力情況發(fā)生時(shí)的強(qiáng)度儲(chǔ)備。同時(shí)提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性，在結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的彈塑性變形的狀況下，整體結(jié)構(gòu)承受豎向力的能力下降百分比不低于20%。主要受力構(gòu)件等構(gòu)件可承擔(dān)一定比例的與正常使用狀態(tài)相反的內(nèi)力作用而不失穩(wěn)。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式提出防止復(fù)雜結(jié)構(gòu)連續(xù)性破壞的措施，主要從調(diào)整結(jié)構(gòu)傳力路線或者傳力途徑的方面入手。3.1.1框架結(jié)構(gòu)（1）框架柱承載失去作用，框架梁的上下縱筋很可能都處于受拉狀態(tài)，應(yīng)將框架梁的縱筋和腰筋等全部貫通節(jié)點(diǎn)且滿足抗震連接錨固要求。還應(yīng)對(duì)兩端全部縱筋的拉剪作用進(jìn)行驗(yàn)算。若底層框架柱失去作用，考慮相鄰樓層的上層柱按照吊柱的受力形式和鋼筋連接形式進(jìn)行處理。中柱為重要豎向承重構(gòu)件，若底層框架柱中柱失去作用，此時(shí)要考慮相鄰層和本層相鄰框架梁和框架柱的內(nèi)力重分布作用。（2）框架結(jié)構(gòu)的樓板，考慮按單向板設(shè)計(jì)，應(yīng)以長方形梁失去作用時(shí)的極端情況考慮，為結(jié)構(gòu)發(fā)生平面內(nèi)變形儲(chǔ)備強(qiáng)度。（3）承擔(dān)樓梯踏步板的框架梁縱向鋼筋，包含上下鐵均應(yīng)驗(yàn)算抗剪極限承載力是否滿足要求，考慮發(fā)生意外情況時(shí)，樓梯間填充墻倒塌的堆積荷載瞬時(shí)荷載集中。3.1.2剪力墻結(jié)構(gòu)（1）大距離的橫墻之間應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量和比例的內(nèi)縱墻，以防止橫墻平面外的失穩(wěn)發(fā)生；橫縱墻交接部位的核心區(qū)節(jié)點(diǎn)，保留一定長度的墻肢長度，盡量不小于500mm，墻肢拐角處也應(yīng)增加橫縱墻肢，且墻肢端部設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，邊緣構(gòu)件上下通高設(shè)置傳力應(yīng)分明。增強(qiáng)墻肢的側(cè)向剛度[6]。（2）剪力墻上開設(shè)較大洞口，常規(guī)情況不超過1m，如超過1m應(yīng)在洞口橫縱方向設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，形成暗框架以保證墻體的垂直傳力途徑不發(fā)生突變。

3.2框剪結(jié)構(gòu)

（1）框剪結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案計(jì)算中，宜按少墻框架或框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行主體位移的控制驗(yàn)算。（2）框剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻墻頂設(shè)置比墻體略寬的框架梁，該框架梁應(yīng)可承受層間的水平荷載和剪力墻自重。

3.3包含轉(zhuǎn)化層的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)

（1）對(duì)于比較復(fù)雜的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，可在結(jié)構(gòu)底層、中間層、頂層分別增加轉(zhuǎn)換桁架的數(shù)量，在發(fā)生極端情況主體形變時(shí)，考慮有框架柱失穩(wěn)無法工作時(shí)，柱可吊于桁架下面。（2）盡量減少轉(zhuǎn)換次數(shù)，達(dá)到直接傳力的目的，在不影響建筑功能的前提下，采用各種輔助手段和構(gòu)件達(dá)到主承重構(gòu)件傳力路徑明確[7]。（3）強(qiáng)化下部結(jié)構(gòu)剛度，弱化上部結(jié)構(gòu)剛度，減少上部與其他多塔結(jié)構(gòu)的牽拉和連接。如有連接也應(yīng)處理為鉸接或者滑動(dòng)支座連接。

3.4超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)于超高層建筑而言，建筑高度至少超過100m，世界各國逐漸開發(fā)出了有國家代表性的地標(biāo)性超高層建筑，高度達(dá)600m或更高。為保證消防安全，須設(shè)計(jì)避難層。為保證機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的合理性，需要增加設(shè)備層，以此來存放超高層建筑所需要的設(shè)備[8]。設(shè)備層不僅要考慮其實(shí)際的承載力，還應(yīng)考慮設(shè)備自身對(duì)于整個(gè)超高層建筑的影響，同時(shí)能夠提高結(jié)構(gòu)的整體性，在這其中還應(yīng)增加結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層的設(shè)計(jì)。3.4.1整體重力荷載變化超高層結(jié)構(gòu)計(jì)算中控制建筑物的水平位移是第一控制指標(biāo)。超高層建筑相較于一般類型的建筑具有結(jié)構(gòu)計(jì)算和模型上獨(dú)特的特點(diǎn)。首先，超高層結(jié)構(gòu)主體高度很高，隨著主體結(jié)構(gòu)高度的逐漸增加，結(jié)構(gòu)重力荷載也隨之逐漸上升，作用在豎向主受力構(gòu)件墻和柱的軸壓力也隨之增加。其次，由于超高層建筑主體較高，風(fēng)荷載作用對(duì)超高層建筑的風(fēng)振影響也非常大[9]。因?yàn)槌邔咏ㄖw量變化影響，整體結(jié)構(gòu)自重也在不斷加大，在地震力的作用下，就可能會(huì)破壞超高層建筑的薄弱位置。因此，通常情況下都應(yīng)設(shè)計(jì)超高層建筑加強(qiáng)層。3.4.2傾覆力矩增大超高層建筑對(duì)于整體穩(wěn)定性的要求相較于一般結(jié)構(gòu)也較高。由于在施工的過程中，建筑高度不斷增加引起側(cè)向風(fēng)作用后的傾覆力矩也逐漸增加，緊隨而來的是抗傾覆力的能力也隨之需要提升。比較常用的措施：（1）增加基礎(chǔ)埋深和增加基礎(chǔ)寬度；（2）設(shè)計(jì)抗拔樁基等措施來保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，以此強(qiáng)化超高層結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。3.4.3豎向構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的變化影響豎向構(gòu)件變化產(chǎn)生的縮短變形差對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響增大。當(dāng)內(nèi)力變化極大時(shí)，構(gòu)件受力變形通常在瞬間完成，而干縮變形需要的時(shí)間則相對(duì)較長，依據(jù)胡克定律，對(duì)變形量進(jìn)行了大致測算。通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)仔細(xì)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，在一般條件下干縮變形量大約占總壓縮量的1/3。而耗時(shí)最長的是徐變引起的變形量，線性徐變能夠通過公式進(jìn)行變形量計(jì)算。而受到內(nèi)力作用的構(gòu)件總壓縮量會(huì)隨著總體高度的不斷增加而逐漸上升，從而使超高層結(jié)構(gòu)中豎向構(gòu)件產(chǎn)生的縮短變形差由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響也逐漸變大。3.4.4防火防災(zāi)的控制措施超高層建筑的重要性等級(jí)提升，防火防災(zāi)成為超高層建筑的重中之重，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮采取結(jié)構(gòu)措施，實(shí)現(xiàn)防火防災(zāi)的效能。由于高層建筑與地面之間的空間距離較大，給救援工作帶來了困難，所以通過設(shè)置避難層和增加設(shè)備層的設(shè)計(jì)，可在超高層結(jié)構(gòu)計(jì)算中既強(qiáng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，又增加建筑的整體性能。3.4.5控制風(fēng)振加速度，滿足人體舒適度要求風(fēng)荷載作用效應(yīng)會(huì)隨著建筑高度的升高而加強(qiáng)，超高層建筑對(duì)于風(fēng)力的面荷載作用更加突出。由于高強(qiáng)度的風(fēng)振作用，會(huì)極大影響到人們?cè)诮ㄖ械氖孢m度，讓人感知到高層結(jié)構(gòu)中的風(fēng)振作用是很大的忌諱。因此，一定要解決好風(fēng)振速度與人體舒適度之間的平衡，這是每一個(gè)超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要問題。控制好結(jié)構(gòu)頂層的最大加速度，并且須滿足高規(guī)限定取值。另外，風(fēng)荷載作用使得超高層建筑垂直于圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值也急速增大，所以外圍護(hù)結(jié)構(gòu)也必須進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)[10]。

4超高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制指標(biāo)

4.1扭轉(zhuǎn)問題

超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制核心問題是剛度中心、幾何形心和結(jié)構(gòu)重心的合理化，所以當(dāng)超高層建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)問題時(shí)，其原因主要就是剛度中心、幾何形心和結(jié)構(gòu)重心沒有重合，從而使得超高層建筑在水平力組合作用下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，在保障建筑平面功能的前提下，應(yīng)選用合理的平面布局圖，以保障結(jié)構(gòu)安全為前提，然后才考慮建筑方案的協(xié)同調(diào)整和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。最終的目的是保證超高層建筑物的形心、重心和中心能夠重合。

4.2受力性能的問題

對(duì)于確定超高層建筑物結(jié)構(gòu)方案，建筑師最初在設(shè)計(jì)建筑方案時(shí)，幾乎很少考慮建筑的結(jié)構(gòu)特征，而較多在意的是建筑物的空間結(jié)構(gòu)，由此很容易使超高層建筑結(jié)構(gòu)的受力性能存在一定的問題。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確所選結(jié)構(gòu)體系中豎向作用力和地基承載力之間的關(guān)系。同時(shí)，在確定結(jié)構(gòu)體系時(shí)，還需對(duì)超高層建筑的主受力構(gòu)件的布局和數(shù)量進(jìn)行總體控制，以求保證超高層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的均衡布局、各方向的剛度平衡，防止由于剛度不均發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

4.3超高問題

我國國標(biāo)規(guī)范對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型超高層建筑的抗震性能都有對(duì)應(yīng)的控制指標(biāo)，所以我國超高層建筑物可采用的結(jié)構(gòu)高度也有嚴(yán)格規(guī)定。因此，對(duì)超高層建筑的結(jié)構(gòu)方案重新進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的審核，以杜絕超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的超限問題。

4.4嵌固端的確定問題

超高層建筑的上部高度決定了超高層建筑都會(huì)配置2層及以上地下室。通常設(shè)計(jì)人員會(huì)將嵌固端設(shè)置在地下室頂板的位置，從而使超高層建筑在施工過程中，會(huì)由于嵌固端的設(shè)置位置修改而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)方案的變化，進(jìn)而給超高層建筑物埋下安全隱患。

5結(jié)束語

總之，我國復(fù)雜高層和超高層建筑的數(shù)量在不斷增多，為了能夠更好地保證建筑質(zhì)量，就應(yīng)對(duì)復(fù)雜高層和超高層建筑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。在這其中不僅需考慮到功能、安全、強(qiáng)度，還應(yīng)保證成本投入合理，這樣才能為我國建筑行業(yè)的發(fā)展提供相應(yīng)幫助。

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作者：楊波 單位：建設(shè)綜合勘查研究設(shè)計(jì)院有限公司