高層房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與探討

徐氫清

（淮安市建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

眼下，經(jīng)濟的飛速發(fā)展，促使著房屋建筑逐漸由單層、多層向高層闊步發(fā)展。但由于目前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計周期短，任務(wù)重,大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計僅是根據(jù)已確定好的平面和豎向布置,先假定好構(gòu)件尺寸,通過電算來調(diào)整結(jié)構(gòu)的周期、位移、剛度比等,以至于房屋建好后在經(jīng)濟、實用、安全方面留下遺憾。

1.高層房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的問題剖析

1.1 地基與基礎(chǔ)方面。在這方面經(jīng)常出現(xiàn)的問題大多數(shù)是：高層房屋建筑基礎(chǔ)設(shè)計由于設(shè)計周期短，設(shè)計人員對基礎(chǔ)設(shè)計沒有做到優(yōu)化設(shè)計，對基礎(chǔ)進行多方案比較設(shè)計、測算，做到即安全又經(jīng)濟。實際上，我們在具體施工時，地基與基礎(chǔ)設(shè)計要做到合理，安全適用，設(shè)計人員必須依據(jù)地質(zhì)勘察資料，統(tǒng)一考察多方面因素綜合分析基礎(chǔ)類型和上部結(jié)構(gòu)。

1.2 地下室設(shè)計方面，1）在地下室抗浮設(shè)計時，經(jīng)常出現(xiàn)抗浮地下水位高度不準。給結(jié)構(gòu)帶來不安全，因地質(zhì)質(zhì)料常常以自然地面向下多少米進行抗浮計算，而實際場地高差較大，無法準確確定水位，所以應(yīng)經(jīng)勘察單位確定正確的抗浮水位很重要。2）地下室裂縫控制，因計算機計算，經(jīng)常會統(tǒng)一按0.2mm控制，這樣會造成鋼筋量偏高，應(yīng)當迎水面按0.2mm，其它按0.3mm控制。3）地下室外墻配筋計算中有的工程，凡圍墻扶壁柱的不區(qū)別扶壁柱尺寸大小，一律按雙向板計算配筋，而扶壁柱按地下室結(jié)構(gòu)整體電算分析配筋，又沒按雙向板傳遞荷載驗算扶壁柱配筋。按外墻與扶壁柱變形協(xié)調(diào)原理，外墻豎向受力鋼筋、扶壁柱配筋不足，外墻水平鋼筋有富余。

1.3 高層房屋建筑中柱、梁以及基礎(chǔ)的活荷載未按規(guī)范乘以折減系數(shù)方面。設(shè)計人員設(shè)計高層建筑時，在計算梁、柱和基礎(chǔ)的活荷載時未按照現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范活荷載乘折減系數(shù)計算其效應(yīng)組合。

1.4 房屋建筑高度、高寬比超過現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程限值方面?，F(xiàn)行的規(guī)范、規(guī)程給出的房屋最大適用高度和高寬比限值。按照現(xiàn)行抗震規(guī)范，高寬比雖然不是強制性條文，但是合理的高寬比對高層建筑的造價有很大的影響，因為高寬比過大（尤其在高烈度地區(qū)）將會影響建筑的位移比和剪力墻，柱，梁的配筋。一些高層建筑房屋高度超過最大適用高度規(guī)定限值，甚至個別建筑的高度和高寬比均超出規(guī)定限值。設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，對于房屋高度、高寬比和體型復(fù)雜程度超過現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的高層建筑，會按超限高層建筑進行設(shè)計。同時，還有不容忽視的問題是高層建筑適用高度除與結(jié)構(gòu)體系類型及抗震設(shè)防烈度有關(guān)外，還與場地類別與結(jié)構(gòu)是否規(guī)則等因素有關(guān)，當位于Ⅳ類場地或結(jié)構(gòu)平面與豎向布置不規(guī)則時，其最大適用高度應(yīng)適當降低20%。

1.5 結(jié)構(gòu)縫設(shè)置不合理，縫寬度不足方面。在實際設(shè)計過程中，對于超長建筑物而言，為減少溫度變化對結(jié)構(gòu)的不利影響，合理地設(shè)置伸縮縫是有必要的。有些設(shè)計人員用后澆帶代替伸縮縫，其實這種做法存在一定的問題。因為后澆帶僅能減少混凝土材料干縮的影響，不能解決溫度變化的影響。后澆帶處的混凝土封閉后，若結(jié)構(gòu)再受溫度變化的影響，后澆帶就不能再起任何作用了。

1.6 板承受線荷載時彎矩計算方面。在高層房屋建筑中，常常在樓板上布置一些非承重隔墻，在樓板設(shè)計中設(shè)計人員會錯把該部分的線荷載換算成等效的均布荷載后，進行板的配筋計算。但有些設(shè)計人員錯誤地將隔墻的總荷載附以板的總面積。同時，板上隔墻頂部處理常采用立磚斜砌砌頂緊上部分的樓、屋面板，這樣會給上部的板增加了一個中間支承點，使其變?yōu)檫B續(xù)板，支承點上部出現(xiàn)了負彎矩，而在板的設(shè)計中又沒考慮該部分的影響，致使板頂出現(xiàn)裂縫(尤其是大跨度板)。

2.高層房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對策

高層房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計包括房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計和房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計兩方面。其中房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計、圍護結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)細部設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計。對以上幾個方面的優(yōu)化設(shè)計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內(nèi)容，并應(yīng)在滿足設(shè)計規(guī)范和使用要求前提下，結(jié)合具體工程實際情況，圍繞其綜合經(jīng)濟效益的目標進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。下面就對高層房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的對策做一闡述。

2.1 概念設(shè)計處理實際問題。事實上，概念設(shè)計所要處理的問題比較多，但我們可以肯定的是希望通過概念設(shè)計，高層房屋建筑結(jié)構(gòu)能在各種不同外部作用下不受破壞，或?qū)⑵茐某潭冉抵磷畹?。因此，分析如何?yīng)對高層方面建筑可能遭遇的各種不確定因素成為概念設(shè)計的重要內(nèi)容。比如：地震是最為難以預(yù)料的，破壞性也最大。所以在高層房屋建筑設(shè)計過程中應(yīng)未雨綢繆，從計算及構(gòu)造等各個方面都要采取有助于提高抗震能力的措施。剛度均勻、對稱是減小地震在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不利影響的重要手段；延性設(shè)計則能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞；多道設(shè)防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構(gòu)件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設(shè)防思想在整個設(shè)計過程中都應(yīng)該作為概念設(shè)計的重要指導思想。

2.2 設(shè)計要考慮水平力。在低層和多層房屋建筑結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計。而在高層房屋建筑設(shè)計中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構(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、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化，所以對風荷載比較敏感的高層建筑，風荷載須按100年風壓計算。

2.3 應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計。在高層房屋建筑設(shè)計中剪力墻的主要作用在于提高整個房屋的抗剪強度和剛度，墻體同時也作為圍護及房間分格構(gòu)件。剪力墻結(jié)構(gòu)中，由鋼筋混凝土墻體承受全部水平和豎向荷載，剪力墻沿橫向縱向正交布置或沿多軸線斜交布置，它剛度大，空間整體性好，用鋼量也較少。

2.4 應(yīng)用筒體結(jié)構(gòu)體系。隨著建筑層數(shù)、高度的增長和抗震設(shè)防要求的提高，以平面工作狀態(tài)的框架、剪力墻來組成高層建筑結(jié)構(gòu)體系，往往不能滿足要求。這時可以由剪力墻構(gòu)成空間薄壁筒體，成為豎向懸臂箱形梁，加密柱子，以增強梁的剛度，也可以形成空間整體受力的框筒，由一個或多個筒體為主抵抗水平力的結(jié)構(gòu)稱為筒體結(jié)構(gòu)。

2.5 減輕高層房屋建筑自重。高層房屋建筑減輕自重比多層建筑更有意義。我們從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎(chǔ)造價和處理措施，可以多建層數(shù)，這在軟弱土層有突出的經(jīng)濟效益。

本人認為，在滿足建筑結(jié)構(gòu)長遠效益的前提下，應(yīng)盡量減少建筑結(jié)構(gòu)的近期投資并提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠度和合理性。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，可以充分利用計算機資源，進行多種結(jié)構(gòu)形式進行結(jié)構(gòu)試算、分析、比較，選擇合理的結(jié)構(gòu)類型，可以使建筑工程造價降低5%～30%。優(yōu)化技術(shù)的實現(xiàn)，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，并具有建筑規(guī)范所規(guī)定的安全度。同時，它還可為建筑整體性方案設(shè)計進行合理的決策，優(yōu)化技術(shù)是實現(xiàn)建筑設(shè)計的"適用、安全和經(jīng)濟"目標的有效途徑。

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