基于复杂高层结构设计中的关键性问题分析研究

2022-03-17 10:18:36 | 浏览次数：

【摘要】本文首先就复杂高层建筑结构抗震设计的目标进行了分析，然后详细的探讨了影响复杂高层与超高层建筑结构设计的关键性的问题，本文提出了自己的一些观点和看法，可与同行共同探讨。

【关键词】高层建筑；设计；结构；抗震；抗侧力构件

前言

随着我国各类城市圈、高新技术产业园区、金融市场商务区、生态文化旅游区、百镇千村示范工程等社会经济发展战略全面实施，区域协调、城乡一体、合理布局的城镇化建设规模不断扩大，工程建设项目逐年倍增，一大批高层建筑，尤其是建筑功能的广泛性、结构类型的多样性且体型复杂高层建筑显著增多。表现在各个领域，这种新的建筑设计理念、新的结构体系、新的施工方法等运用于大型公共建筑、上万到几十万、甚至于百万平方米高层住宅楼群的施工实践，为从事复杂高层建筑结构施工管理技术人员、工程建设行业质量监督管理人员提出新的目标、新的要求。

一、复杂高层建筑结构抗震设计的目标

高层建筑愈来愈多，高层建筑基于性态的抗震设计必然显得尤为重要，传统的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标显然是不够水准的，设计上必须有所突破，笔者认为还要从以下两个评价水准进行考察：

1、正常使用水准评价。对于重现期大约为 50a 的地震，建筑物只能出现的损伤应该可以忽略，结构在设计时要求结构的反应状态基本处于弹性反应状态。

2、倒塌水准评价。对于重现期与 2 500 a 的地震水准非常接近的地震，要对最大地震振动有所预计，并设计为真正遇袭的条件能有效防止倒塌，并能证实以下几点：（1）对于结构中所有的延性构件，其非弹性变形需求必须都比其变形能力要低；（2）对于具有非延性破坏模式的结构部件，其中对力的需求应大于等于其名义上的强度；（3）对于超高建筑物，又或者是复杂建筑物在设计上，对于起控制作用的构件还必须要证实其受到中等地震的振动作用，仍能保持弹性。

二、复杂高层建筑结构设计中的要点问题分析

1、重视概念设计。大量实践经验告诉我们，对于复杂超高结构设计上，应重视其结构概念设计，具体的应重视以下几个环节：（1）应该尽量提升建筑结构的均匀性和规则性；（2）要确保结构有清晰且直接的传力途径，特别是结构竖向和抗侧力传力途径；（3）设计上，要保证结构的整体性要在较高的水平；（4）设计要渗透节能减排的意识，建立较为合理的耗能机制；（5）应从提高结构和建筑构件材料的利用效率入手，确保形成整个结构的受力整体性。这一过程的实现，离不开结构工程师和建造师之间良好的沟通和交流，只有沟通才能尽可能地实现建筑和结构的统一。

2、科学、合理地选择结构抗侧力体系。理论研究和实践证明，选择合理的结构抗侧力体系，能够有效保证高层及复杂高层结构的安全性。在选择上应注意以下几个主要的因素：（1）结合建筑的实际高度选择合适的结构体系。（2）在建筑的设计上，应尽可能地确保结构抗侧力构件相互联结、组合为一个整体。（3）对于建筑中采用了多重抗侧力结构体系的具体实际情况时，应综合分析每种结构体系在建筑设计中的效用，对各自的贡献度有合理的估计和评判。

三、抗震设计问题分析

随着城市建设的发展，越来越多美观实用、造型新颖的高层建筑不断涌现。这些建筑在充分满足人们的使用空间，并给城市带来靓丽风景的同时，也给结构分析特别是起主要作用的抗震性能分析带来了许多难题。为适应建筑物的独特造型和复杂空间布置，这些高层建筑的结构形式通常较为新颖和多变，常用的结构分析方法和分析软件往往对其不能适用，因此需要进行专门的研究和探索。随着结构计算机分析技术的快速发展，通用有限元软件越来越成熟，它们为大型复杂工程的抗震分析提供了有利的条件，也大大促进了复杂高层建筑结构分析和设计技术的发展。在满足建筑的功能性的基础上，抗震设计是高层和超高层建筑的设计重点，这是确保建筑安全性最为关键的一环，应重点从以下几点着手：

1、在高层建筑的抗震方案设计中，建筑结构的材料选择也非常重要。

2、促进地震发生时能量的输入能有效地减少。实践证实，应做好以下几个方面：一是，在对建筑构件的承载力进行验收的同时应对建筑结构在地震作用下的层间位移限值实施有效的控制。二是，具体的高层建筑工程项目设计时，我们应该采用积极的、基于位移的结构抗震方法，对设计方案进行定量的分析，确保结构的变形弹性可以满足地震的预期要求。三是，应综合分析建筑构件的变形和建筑结构的位移两者之间精确的关系，有效地确定构件的变形值。四是，结合建筑物的实际如建筑界面的应变分布及其大小来对建筑构件的构造需求进行有针对性的设计。五是，选择坚固的场地，实施建筑施工，亦是有效减少地震发生作用时能量的输入的另一个方面。

3、大量理论研究和实践表明，对于一个具体的高层建筑而言，如果其承载能力不是很大，但是其具有的延性较高，那么当地震发生时，它也是不容易出现倒塌事故的，这是因为延性构件可以将地震带来的能量充分地吸收，如此一来，建筑物能够经受住的结构变形将非常大。大量工程实践证实，在很多情况下延性结构的运用的效果是非常明显的，借助该结构能够消耗掉地震的能量，从而使得地震反应得以有效的减轻，促使地震给高层建筑带来的破坏被有效地减弱，避免重大损失的发生。

4、设计的质量和方法决定着抗震效果的高低，因此，高层建筑抗震设计的结构必须得到足够的重视。从国内外高层建筑结构的设计上来看，主要有如下 3 种：“框——筒”、“筒中筒”和“框架——支撑体系”。

四、结语

随着高层建筑和超高层建筑越来越多，其复杂性也在不断地增加，这给建筑的安全和建设的经济性在设计上提出了较高的要求，从理论研究和结构设计的实践经验来看，要想保证复杂高层和超高层建筑的安全性，我们还有很多的工作要做，而且要保证较高的准确性和合理性。

参考文献

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[2] 吕西林：《复杂高层建筑结构抗震理论与应用》，2007

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[4] 于险峰：《高层建筑结构抗震设计》，《中国新技术新产品》，2010

[5] 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010. 北京：中国建筑工业出版社，2010

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[8]罗福午，王毅红主编.土木工程质量缺陷事故分析及处理（第二版）.武汉：武汉理工大学出版社，2009