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1、高層建筑結(jié)構(gòu)設計探析摘要：隨著高層建筑在我國的迅速發(fā)展，建筑高度的不斷增加，建筑類型與功能的愈來愈復雜，結(jié)構(gòu)體系的更加多樣化，高層建筑結(jié)構(gòu)設計也越來越成為結(jié)構(gòu)工程師設計工作的主要重點和難點之所在。結(jié)構(gòu)設計是一項集結(jié)構(gòu)分析、數(shù)學優(yōu)化方法以及計算機技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)工作，是一項對國家建設有重大意義的工作，同時，亦是一門實用性很強的工作。在對高層建筑進行結(jié)構(gòu)設計時，必須以高層建筑結(jié)構(gòu)設計理論為基礎，對影響高層建筑結(jié)構(gòu)的主要因素進行深入的分析研究，做到精心設計，確保質(zhì)量、安全。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設計等問題進行了分析。 關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)設計；結(jié)構(gòu)體系；問題中圖分類號：TU973+.19文獻標識碼2、：A文章編號：引言隨著高層建筑的迅速發(fā)展，結(jié)構(gòu)理論和建筑技術(shù)也不斷得到提高，高層建筑結(jié)構(gòu)形式也開始趨于多樣化發(fā)展，其表現(xiàn)形式也是多種多樣，但是也隨之出現(xiàn)了一些高層建筑設計方面的問題。在作為城市風景線的同時，高層建筑還面臨著如何搞好高層建筑結(jié)構(gòu)設計的問題，如何多方面完善高層建筑的設計是目前高層建筑設計所追求的主要理念。1.高層建筑結(jié)構(gòu)設計原則1.1鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設計應與建筑、設備和施工密切配合，做到安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理，并積極采用新技術(shù)、新工藝和新材料。1.2高層建筑結(jié)構(gòu)設計應重視結(jié)構(gòu)選型和構(gòu)造，優(yōu)先選擇抗震及抗風性能好且經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)體系與平、立面布置方案，并注意加強構(gòu)造連接。3、在抗震設計中，應保證結(jié)構(gòu)整體抗震性能，使整個結(jié)構(gòu)有足夠的承載力、剛度和延性。2.高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點2.1軸向變形不容忽視：高層建筑中，豎向載荷很大，能在柱中引起較大的軸向變形，對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大；此外還會對預測構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整；另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結(jié)果。2.2結(jié)構(gòu)延性是重要設計指標：相對于底層建筑而言，高層建筑的結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使高層建筑結(jié)構(gòu)在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，4、特別需要在構(gòu)造上采取恰當?shù)拇胧瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。2.3水平荷載成為決定因素：一方面，因為高層建筑樓房自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度變化。3.結(jié)構(gòu)選型階段 對于高層結(jié)構(gòu)而言，在工程設計的結(jié)構(gòu)選型階段，結(jié)構(gòu)工程師應該注意以下幾點：3.1結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。規(guī)范在這方面有相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、豎向規(guī)則性信息、嵌5、固端上下層剛度比信息等，而且，規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。”因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。3.2結(jié)構(gòu)的超高問題。 在抗震規(guī)范與高規(guī)中。對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴格的限制。規(guī)范中針對超高問題，除了限制高度設定為A級高度的建筑外，還有B級高度的建筑，因此。必須對結(jié)構(gòu)的該項控制因素嚴格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。還應注意到新高規(guī)設計適用范圍調(diào)整為10層及10層以上或房屋高度大于28米的住宅建筑結(jié)構(gòu)和房屋高度大于24米的其他民用高層建筑結(jié)構(gòu)。在實際工程設計6、中，出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題。導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況， 對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當巨大。3.3嵌固端的設置問題。 由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計算時嵌固端的設置、結(jié)構(gòu)抗震縫設置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋7、下安全隱患。3.4短肢剪力墻的設置問題。 在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為58的墻定義為短肢剪力墻。且根據(jù)實驗資料和實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結(jié)構(gòu)工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。 4.高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件（框架、剪力墻、筒體等）通過水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。要完全精確地按照三維空間結(jié)構(gòu)進行分析是十分困難的。各種實用的分析方法都需要對計算模型引入不同程度的簡化。下面是常見的一些基本假定：4.1 彈性假定。 目前工程上高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計算8、方法。在垂直荷載或一般風力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時，高層建筑結(jié)構(gòu)往往會產(chǎn)生較大的位移，出現(xiàn)裂縫，進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內(nèi)力和位移時不能反映結(jié)構(gòu)的真實工作狀態(tài)的，應按彈塑性動力分析方法進行設計。 4.2小變形假定。 小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對幾何非線性問題（P效應）進行了一些研究。一般認為，當頂點水平位移與建筑物高度H的比值 /H 1/500時， P效應的影響就不能忽視了。 4.3 剛性樓板假定。許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽9、略不計。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度，簡化了計算方法。并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結(jié)構(gòu)提供了條件。一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。但是，對于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)，樓板剛度較小，主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過大或是層數(shù)較少等情況，樓板變形的影響較大。特別是對結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯。可將這些樓層的剪力作適當調(diào)整來考慮這種影響。4.4計算圖形的假定。 高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計算圖形有三種：（1）一維協(xié)同分析。按一維協(xié)同分析時，只考慮各抗側(cè)力構(gòu)件在一個位移自由度方向上的變形協(xié)調(diào)。在水平力作用下，將結(jié)構(gòu)體系簡化為由平行水平力方向上的各榀抗側(cè)力構(gòu)件組成10、的平面結(jié)構(gòu)。根據(jù)剛性樓板假定，同一樓面標高處各榀抗側(cè)力構(gòu)件的側(cè)移相等，由此即可建立一維協(xié)同的基本方程。在扭矩作用下，則根據(jù)同層樓板上各抗側(cè)力構(gòu)件轉(zhuǎn)角相等的條件建立基本方程。一維協(xié)同分析是各種手算方法采用最多的計算圖形。（2）二維協(xié)同分析。二維協(xié)同分析雖然仍將單榀抗側(cè)力構(gòu)件視為平面結(jié)構(gòu)，但考慮了同層樓板上各榀抗側(cè)力構(gòu)件在樓面內(nèi)的變形協(xié)調(diào)。縱橫兩方向的抗側(cè)力構(gòu)件共同工作，同時計算；扭矩與水平力同時計算。在引入剛性樓板假定后，每層樓板有三個自由度u，v，（當考慮樓板翹曲是有四個自由度），樓面內(nèi)各抗側(cè)力構(gòu)件的位移均由這三個自由度確定。剪力樓板位移與其對應外力作用的平衡方程，用矩陣位移法求解。二維協(xié)同分11、析主要為中小微型計算機上的桿系結(jié)構(gòu)分析程序所采用。（3）三維空間分析。二維協(xié)同分析并沒有考慮抗側(cè)力構(gòu)件的公共節(jié)點在樓面外的位移協(xié)調(diào)（豎向位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào)），而且，忽略抗側(cè)力構(gòu)件平面外的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對具有明顯空間工作性能的筒體結(jié)構(gòu)也是不妥當?shù)摹ＨS空間分析的普通桿單元每一節(jié)點有6個自由度，按符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點還應考慮截面翹曲，有7個自由度。5.結(jié)束語我國的高層建筑建設發(fā)展迅速。但從設計質(zhì)量方面來看，并不很理想。在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，結(jié)構(gòu)工程師不能僅僅重視結(jié)構(gòu)計算的準確性而忽略結(jié)構(gòu)方案的具體實際情況，應作出合理的結(jié)構(gòu)方案選擇。高層建筑結(jié)構(gòu)設計人員應根據(jù)具體情況進行具體分析，用掌握的知識處理實際設計中遇到的各種問題。參考文獻： 1包世華,方鄂華.高層建筑結(jié)構(gòu)設計M.北京:清華大學出版社,1990. 2肖峻，高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設計J，中化建設，2008，(12). 3范小平，高層建筑結(jié)構(gòu)概念設計中相關(guān)的幾個問題應用分析J福建建材，2008.