高層住宅建筑結構設計需關注的幾個問題

隨著我國城市建設用地日趨緊張，城市居民住宅向中高層方向發(fā)展，與之相適應的結構形式也取得了許多新的成果。在高層住宅的開發(fā)建設中，結構設計是相當重要的一個環(huán)節(jié)，它與規(guī)劃、建筑、設備和施工等專業(yè)緊密相聯(lián)。同時時代的發(fā)展，建筑風格的變化多樣，又給高層住宅結構設計提出了新的課題和新的挑戰(zhàn)，高層建筑結構設計也越來越成為結構設計工作的重點和難點。

1.高層建筑結構體系

高層建筑結構的結構型式繁多，框架、剪力墻、框架-剪力墻結構體系是高層鋼筋混凝土建筑結構中較為傳統(tǒng)的、廣為應用的結構體系。隨著層數(shù)和建筑高度增加，利用結構空間作用，又發(fā)展了框架-筒體結構、筒中筒結構、多筒結構和巨型結構等多種結構體系。

2.高層住宅建筑結構設計的特點

水平荷載起控制作用，側面位移必須加以限制，軸向變形在側移中占有很大的份額，所以在結構體系選型時應充分考慮這幾個特點。對于低層、多層或高層建筑，其豎向和水平結構體系設計的基本原理是相同的。但隨著高度的增加，由于以下兩個原因，豎向結構體系成為設計的控制因素：一個是較大的豎向和要求有較大的柱、墻和井筒；另一個更重要的原因是，側向力所產生的傾覆力矩和剪切變形要大得多，高層建筑結構設計人員必須以精心設計來保證。

3.高層住宅建筑結構選型設計原則

3.1 功能適應性原則

不同功能的建筑，往往具有不同的功能空間特征；不同的結構體系型式，并能夠提供不同的空間布置；不同的內部空間特征又要求不同的結構與其相適應。

3.2 高度合理性原則

不同的結構體系往往具有不同的力學特征和整體性能，也有其整體綜合性能得到較好發(fā)揮的高度適應范圍。

3.3 場地適應性原則

主要是做好建筑地的防震措施。

3.4 空間整體性原則

建筑結構系統(tǒng)是一個由多個子結構及其若干組成構件組成的空間結構體系。一個結構的抗震能力不僅取決于各子結構及相應構件強度、剛度、延件及其受力狀態(tài)，而更主要地取決于保證這些子結構、構件能協(xié)同工作的能力或空間整體性。

3.5 施工方便性原則

不同的結構型式決定著結構的施工工藝、施工難度、施工工期及可能的施工質量。

3.6 經濟有效性原則

建筑結構的經濟性就是只以較少的成本來獲得最大的效用。還體現(xiàn)在建筑空間組織、利用的高效化方面。堅持對平面面積的充分利用，還注重三維空間的挖掘。

4 高層住宅建筑結構關鍵設計

4.1 框架結構

4.1.1 基礎系梁的設置問題。如果基礎埋置深度較深時，可以用基礎系梁減少底層柱的計算長度，在±0.00以下設置系梁，此時系梁宜按一層框架梁進行設計，同時系梁以下的柱應按短柱處理。如不設置基礎系梁，填充墻可以采用素混凝土條形基礎；如設置基礎拉梁，宜在框架柱之間設置，對于不在框架柱之間的墻體基礎可采用素混凝土基礎。

4.1.2 框架結構薄弱層的判定與處理。薄弱層是對抗震極為不利的結構層，原則上應避免出現(xiàn)薄弱層。避免出現(xiàn)薄弱層的最基本方法是加大該層的抗側移剛度，即加大該層的柱截面或梁截面；如果條件允許，可以改變該層層高或減少基礎埋置深度。當無法避免出現(xiàn)薄弱層時，在結構計算和出圖時必須按照規(guī)范規(guī)定采取相應的措施。

4.1.3 短柱問題。在框架結構中，如果柱凈高與柱截面高度之比≤4或剪跨比≤2，那么該柱為短柱。短柱在地震作用下，容易發(fā)生脆性破壞。處理短柱主要是增加柱的抗剪承載力及改善其變形能力，一般采用復合箍筋，箍筋沿全高加密；保證短柱的縱向鋼筋對稱布置，且每側的縱向鋼筋配筋率不宜大于1.2%的方式處理，也可以采用外包鋼板、配X形鋼筋等方式處理。

4.2 剪力墻結構

剪力墻是一種有效的抗側力構件，剪力墻結構體系、框架剪力墻結構體系、筒體結構體系中，剪力墻都是作為主要的承重結構單元，因此，剪力墻的截面設計是高層混凝土結構設計的重要部分。在地震區(qū)剪力墻除保證有足夠的承載力外，還要保證有足夠的延性，以提高整個結構的耗能能力，改善結構的抗震性能。在剪力墻墻肢截面設計時，當縱橫向剪力墻連成整體共向工作時，可將縱墻的一部分作為橫墻的翼緣加以考慮。同時也可將橫墻的一部分作為縱墻的翼緣予以考慮。在框架剪力墻結構中，剪力墻常常和梁柱連一體，形成帶邊框剪力墻。因此，剪力城墻肢常常按矩形截面、T形截面或工字形截面進行設計。在剪力墻中一般需要配置豎向鋼筋來抵抗彎矩，配置水平鋼筋來抵抗剪力的配筋形式基本上同框架梁。剪力墻結構往往應用于住宅和旅館客房開間較小、墻體較多的建筑中。

4.3 框架剪力墻結構

當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架剪力墻體系?？蚣芗袅Y構體系是把框架和剪力墻兩種結構共同組合在一起形成的結構體系。這種結構既具有框架結構布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度和較強的抗震能力。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結構體系。在體系中框架主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力?？蚣芗袅w系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置，增大了結構的側向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低且內力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

4.4 筒體結構

凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、筒體-框架、筒中筒、成束筒等多種形式。筒體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。筒體體系具有很大的剛度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。

以筒體-框架結構為例。核心筒應具有良好的整體性，墻肢宜均勻、對稱布置，筒體角部附近不宜開洞，當不可避免時，筒角內壁至洞口應保持一段距離，以便設置邊緣構件，其值不應小于500mm和開洞墻的厚度；核心筒外墑的截面焊度不應小于層高的1/20及200mm，對一、二級抗震設計的底部加強部位不宜小于層向的1/16及200mm，當厚度不能滿足上述要求時，應通過穩(wěn)定驗算，必要時增設扶壁墻；在滿足承載力要求，以及軸壓比限值時，核心筒內墻可適當減薄，但不應小于160mm。

4.5 強調“三強三弱”

為體現(xiàn)抗震概念設計思想，按照建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011-2001)要求應實現(xiàn)“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)弱桿”，使其具有較好的變形能力。規(guī)范雖然列出了許多具體核算公式，但由于種種原因目前普遍作法是將梁超計算配筋或加大截面而柱筋及截面不變，這就很難保證“強柱弱梁”實現(xiàn)而且實際結構中轉換層、剛性層太梁以及樓板的存在，要真正實現(xiàn)“強柱弱梁”的概念很困難；設計中局部尺寸或荷載有改變時，設計人員都習慣于大幅度增加縱筋而不改善箍筋，則很難保證“強剪弱彎”；設計人員往往對構件進行大量計算，增強構件，而對節(jié)點不過細考慮，施工時節(jié)點區(qū)缺少箍筋甚至無箍筋的情況非常普遍。因此，要使“三強三弱”概念得以實現(xiàn)，首先應對規(guī)范目前核算公式改進使其實用，如采用“實配增大系數(shù)法”來保證，否則公式概念雖然正確但因不易操作不實用，而成為虛設；其次，設計人員應認識到“三強三弱”概念在抗震設計中的重要性，精心設計使所設計的結構具有良好的抗震能力。

4.6 建筑物的地基

為防止或減少由于地基沉降或不均勻沉降引起的構件開裂或破壞，可以從建筑措施、結構措施、地基和基礎措施方面加以控制。諸如：避免采用建筑平面形狀復雜、陰角多的平面布置；避免立面體形變化過大；將體形復雜、荷載和高低差異大的建筑物分成若干個單元；加強上部結構和基礎的剛度；同一建筑物盡量采用同一類型基礎并埋置于同一土層中等一系列措施。一般對于高層建筑來說，由于需要一定的埋置深度，從經濟的角度考慮，基礎一般采用樁箱或樁筏結合的形式。此時應保證箱體的整體剛度，群樁布置的形心應與上部結構重心相吻合。當土層有較大起伏時，應使用同一建筑結構下的樁端位于同一土層中，并應考慮可能產生的液化影響。

4.7 材料的選擇

在高層建筑中，根據(jù)現(xiàn)在我國建筑鋼材的類型、品種和鋼結構的加工制造能力，建議盡可能采用鋼骨混凝土結構、鋼管混凝土(柱)結構或鋼結構，以減小柱斷面尺寸，并改善結構的抗震性能。在超過一定高度后，為減小風振，鋼骨(鋼管)混凝土通常作為首選。采用格構式的型鋼時，震害嚴重，采用實腹式的熱軋型鋼或焊接工字鋼的，則震害要減少許多。

5 結束語

隨著城市化進程的不斷加快，城市建設用地越來越緊張，為提高用地效率，城市住宅建筑大多朝向高層和超高層發(fā)展，這也為建筑的結構設計提出了更高的要求。因而我們廣大建筑設計人員應熟悉相關建筑設計規(guī)范、標準條文，熟練掌握高層建筑結構設計的相關要點，合理選擇建筑結構體系，做好結構設計的計算和優(yōu)化，提高建筑的結構安全性，降低設計和建造成本，為社會創(chuàng)造出更多的高層建筑精品。