【正文】 高層建筑的結(jié)構(gòu)方案設計作者：日期：高層建筑結(jié)構(gòu)方案設計 概述高層建筑是社會生產(chǎn)的發(fā)展和人類物質(zhì)生活需要的產(chǎn)物，是現(xiàn)代社會工業(yè)化、商業(yè)化和城市化的必然結(jié)果?？茖W技術(shù)的進步、經(jīng)濟的發(fā)展則為高層建筑的發(fā)展提供了堅實的物質(zhì)基礎。自從第一棟高層建筑以來，當今世界的高層建筑發(fā)展改革開放以來，我國高層建筑如雨后春筍迅速發(fā)展。據(jù)資料統(tǒng)計，建設部系統(tǒng)國有建筑企業(yè)逐年竣工10層以上建筑，從1984年的263萬m2,猛增至1995年的1841萬m2；。見表1：表1 建設部系統(tǒng)國有建筑企業(yè)1984~1995年10層以上建筑竣工簡表年 份198419851986198719881989199019911992199319941995累 計面積2633865366467758888788419288671376184110225棟數(shù)303381514618711702655590653828102112598235占全部面積%到1999年末，全國國有和集體建筑企業(yè)累計建成10層以上建筑估計在3億m2左右（不包括香港、澳門、臺灣地區(qū)）。當今國內(nèi)最高100棟建筑中，1985年建成的僅1棟（深圳國貿(mào)大廈，159m，50層），1989~1995年建成的有14棟，而1996~1998年建成的有85棟。1990年建成的北京京廣中心是我國大陸首棟突破200m的超高層建筑，1996年的深圳地王大廈其高度已達325m、81層，1998年的上海金茂大廈又有突破，達421m、88層。國內(nèi)已建成最高100棟建筑見附錄（截至1998年末）。對高層建筑的界定，目前全世界還沒有一個統(tǒng)一標準。例根據(jù)聯(lián)合國科教文組織所屬的世界高層建筑委員會的建議，一般將9層以上（含9層）稱為高層建筑，并劃分為以下四類：916層，高度不超過50m；1725層，高度不超過75m；2640層，高度不超過100m； 40層以上，高度超過100m；我國171。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ32002）187。；171。高層民用建筑設計防火規(guī)范（GB5004595）187。2001年版規(guī)定10層及10層以上的居住建筑、建筑高度超過24m的公共建筑為高層建筑； 高層建筑結(jié)構(gòu)作用效應的特點 高層建筑結(jié)構(gòu)的受力特點建筑結(jié)構(gòu)所受的外力（作用）主要來自垂直方向和水平方向。在低、多層建筑中，由于結(jié)構(gòu)高度低、平面尺寸較大，其高寬比很小，而結(jié)構(gòu)的風荷載和地震作用也很小，故結(jié)構(gòu)以抵抗豎向荷載為主。也就是說，豎向荷載往往是結(jié)構(gòu)設計的主要控制因素。建筑結(jié)構(gòu)的這種受力特點隨著高度的增大而逐漸發(fā)生變化。在高層建筑中，首先，在豎向荷載作用下，各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的框架柱軸力為：邊柱 N=wlH/2h中柱 N=wlH/h即框架柱的軸力和建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)成正比；邊柱軸力較中柱小，基本上與其受荷面積成正比。就是說，由各樓層豎向荷載所產(chǎn)生的累積效應很大，建筑物層數(shù)越多，底層柱軸力越大；頂、底層柱軸力差異越大；中柱、邊柱軸力差異也越大。其次，在水平荷載作用下，作為整體受力分析，如果將高層建筑結(jié)構(gòu)簡化為一根豎向懸臂梁，、：水平均布荷載 Mmax=qH2/2倒三角形水平荷載 Mmax= Qh3/3即結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生的傾復彎矩與樓層總高度的平方成正比。就是說，建筑結(jié)構(gòu)的高度越大，由水平作用對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩就更大，較豎向荷載對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的累積效應增加更快，其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力占總結(jié)構(gòu)內(nèi)力的比重越大，從而成為結(jié)構(gòu)強度設計的主要控制因素。 高層建筑結(jié)構(gòu)的變形特點在豎向荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)的變形主要是豎向構(gòu)件的壓縮變形。由于各豎向構(gòu)件的應力大小不同，因而其壓縮變形大小也不同。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于在施工過程中的找平，同時由于各豎向構(gòu)件的基底軸力大小不同，若不對基底應力進行調(diào)整，也可能導致基礎產(chǎn)生不均勻沉降。在水平荷載作用下，高層建筑結(jié)構(gòu)最大的頂點位移為：水平均布荷載 △max=qH4/8EI倒三角形水平荷載 △max= 11qH4/120EI式中EI為結(jié)構(gòu)的從以上可看出,結(jié)構(gòu)頂點位移與其總高度的四次方成正比。則又比水平荷載作用下的內(nèi)力累積效應增加更快，這就說明，高層建筑結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移是相當敏感的。水平荷載作用下所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及側(cè)移是高層建筑結(jié)構(gòu)設計的主要控制因素。結(jié)構(gòu)應具備較大的抗側(cè)剛度，而不僅僅滿足強度、剛度和穩(wěn)定要求。在地震區(qū)，還要求建筑物能抗震。由于地震是一種瞬時作用，但作用所產(chǎn)生的效應非常強烈，故結(jié)構(gòu)的過大變形是不可避免的（這種變形在不發(fā)生地震時是不允許的），這就要求結(jié)構(gòu)有較好的延性，能在強烈地震作用下結(jié)構(gòu)雖產(chǎn)生較大變形而不破壞。基礎的轉(zhuǎn)動 高層建筑結(jié)構(gòu)的PΔ效應如上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下將產(chǎn)生側(cè)移，由于側(cè)移而引起豎向荷載的偏心又使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，這個附加內(nèi)力反過來又又使結(jié)構(gòu)的側(cè)移進一步加大。對非對稱結(jié)構(gòu)，平移與扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時，豎向荷載的合力和抗側(cè)力構(gòu)件的形心將產(chǎn)生偏心也會產(chǎn)生附加內(nèi)力。這種由于豎向荷載作用下所產(chǎn)生的內(nèi)力和側(cè)移增大的現(xiàn)象稱之為PΔ效應。 高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點構(gòu)成高層建筑結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件有剪力墻、框架柱、梁和樓板。剪力墻、框架柱是豎向構(gòu)件，它們是形成結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度的最主要構(gòu)件，承擔著整個結(jié)構(gòu)的豎向荷載和絕大部分水平荷載；框架梁、樓板是水平構(gòu)件，結(jié)構(gòu)各樓層的豎向荷載通過樓板傳至框架梁再傳給豎向構(gòu)件，同時，對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度也有貢獻頗的框架梁，還和豎向構(gòu)件一起承擔整個結(jié)構(gòu)的荷載水平荷載；次外，有些高層建筑結(jié)構(gòu)還有斜向構(gòu)件，它們對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度貢獻很大，對構(gòu)件之間的傳力起著重要作用，除自重外，一般不直接受荷。 高層建筑結(jié)構(gòu)的設計要求強度剛度穩(wěn)定性 控制結(jié)構(gòu)側(cè)移大小保證建筑使用功能和安全的主要相關(guān)因素。1. 結(jié)構(gòu)在水平陣風作用下，因為加速度α=A（2πf），當頻率f為定值時，α與振幅A成正比，因此結(jié)構(gòu)的側(cè)移幅值的大小要受限制。2．過大的側(cè)移易使隔墻、圍護結(jié)構(gòu)以及高級裝修受損，地震或陣風引起的過大變形也會造成電梯軌道無法使用。3．結(jié)構(gòu)過大的變形會引起結(jié)構(gòu)的二階效應，造成結(jié)構(gòu)桿件產(chǎn)生附加內(nèi)力，影響結(jié)構(gòu)承載力。雖然受上述因素的影響，但考慮到鋼結(jié)構(gòu)自身具有很強的變形能力而且在鋼結(jié)構(gòu)中采用的隔墻、裝飾材料又多為較輕，采用的幕墻、懸掛板、鋁板等變形能力較強，所以鋼結(jié)構(gòu)JGJ9998標準中規(guī)定的限值標準要比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)定的限制標準寬松。 我國現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的主要限定標準1．風荷載作用下房屋頂點質(zhì)心位置的側(cè)移應H/500（總高），各層質(zhì)心層間位移H/400（總高）。2．地震作用下，第一階段抗震設防時在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移應≤h/對于框架—支撐（剪力板）體系中總框架所承擔的地震剪力不得小于結(jié)構(gòu)底部總剪力的25%，當對結(jié)構(gòu)平面的兩個主軸方向分別計算水平地震效應時，要求角柱和兩個方向的支撐（或剪力墻板）所共有的柱構(gòu)件應在這地震剪力的基礎上再將桿件內(nèi)力提高30%進行設計。3．在第二階段抗震設計時結(jié)構(gòu)層間位移應≤h/70，層間側(cè)移延性比（指結(jié)構(gòu)層間最大側(cè)移與其彈性側(cè)移之比）不得超過下表中限值：結(jié)構(gòu)種類結(jié) 構(gòu) 體 系層間側(cè)移延性比全鋼結(jié)構(gòu)框架體系框架偏心支撐框架中心支撐鋼骨結(jié)構(gòu)型鋼—混凝土框架鋼—混凝土混合4．風荷載作用下順風和橫風向頂點最大加速度應滿足以下要求：對公共建筑 aw（或atr）≤對公寓建筑 aw（或atr）≤5．園筒形平面的高層建筑容易因橫向風引起的渦流共振，為防止橫風向引起共振，因此JGJ9998中采用房屋頂部風速來限制要求：頂部風速Vn Ucr 臨界風速 Vcr = 5D/T1(T1為直徑D的結(jié)構(gòu)基本自振周期)當滿足不了Vn Ucr時應增大結(jié)構(gòu)剛度或進行橫風向渦流脫落試驗。