混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

伊俊麗

（廣東寰球廣業(yè)工程有限公司，廣東 廣州 510655）

在高層設(shè)計(jì)中，建筑和結(jié)構(gòu)是關(guān)系最密切的專業(yè)。建筑師往往根據(jù)建筑的使用功能和美學(xué)要求處理建筑體型，包括平面和立面；而結(jié)構(gòu)師則根據(jù)受力的合理性進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系的選擇，結(jié)構(gòu)總體布置等對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能優(yōu)劣性起決定性作用。結(jié)構(gòu)的總體布置與結(jié)構(gòu)體型密切相關(guān)，簡(jiǎn)單的體型易于得到規(guī)則和受力合理的結(jié)構(gòu)總體布置，可使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能；反之，過于復(fù)雜的建筑平面和立面體型，將增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的困難，造成結(jié)構(gòu)布置的不規(guī)則性。因此優(yōu)秀的設(shè)計(jì)是建筑和結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，需建筑師和結(jié)構(gòu)師密切合作。在方案設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)根據(jù)建筑物的高度、抗震設(shè)防烈度等具體條件合理選用結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。

3.3 結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡可能設(shè)置多道抗震防線。結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)由多個(gè)延性較好的分體，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接起來協(xié)同工作，以便地震時(shí)結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，避免大震倒塌。

3.4 對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力，防止在局部上加強(qiáng)而忽視整個(gè)結(jié)構(gòu)各部位的剛度、承載力協(xié)調(diào)?？紤]上部結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或地下室結(jié)構(gòu)之上時(shí)，應(yīng)使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或地下室結(jié)構(gòu)保持彈性工作狀態(tài)，使塑性鉸出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)嵌固部位。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意問題

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性等級(jí)、建筑使用功能或生產(chǎn)需要所確定的荷載、抗震要求、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等，對(duì)結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件和整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證基本構(gòu)件的強(qiáng)度、變形、裂縫滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)體系的整體安全性、穩(wěn)定性、變形性能，保證在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)保持一定的整體性，使人們的生命安全得以保證；保證合理用材，方便施工，同時(shí)盡可能降低建筑造價(jià)。總之，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是解決兩個(gè)問題：一是滿足建筑結(jié)構(gòu)功能要求；二是經(jīng)濟(jì)問題。

2 概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)等形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的總體布置，并正確確定細(xì)部構(gòu)造的過程，需要遵循相應(yīng)規(guī)范條文進(jìn)行合理的平面設(shè)計(jì)、豎向設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等。

概念設(shè)計(jì)包括建筑概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。建筑概念設(shè)計(jì)是對(duì)滿足建筑使用功能、造型優(yōu)美、技術(shù)先進(jìn)的總建筑方案的確定；結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)旨在有意識(shí)地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，滿足結(jié)構(gòu)的功能要求和建筑功能的需要，以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)可能的設(shè)計(jì)原則，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)體系，選擇適用的建筑材料和合理的關(guān)鍵部位構(gòu)造、結(jié)合適宜的施工及合理的效益達(dá)到房屋設(shè)計(jì)的統(tǒng)一。

3 高層建筑抗震概念設(shè)計(jì)若干原則

建筑抗震性能是概念設(shè)計(jì)的決定因素，概念設(shè)計(jì)應(yīng)遵循一定的原則。

3.1 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置宜規(guī)則、對(duì)稱，受力明確簡(jiǎn)單、傳力合理不間斷，保證良好的整體性。

3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性，構(gòu)件應(yīng)遵循“強(qiáng)柱、弱梁、更強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)剪、弱彎、強(qiáng)底層柱（墻）底”的原則。

高層建筑設(shè)計(jì)從體系選擇、平面布置、豎向布置、抗震概念設(shè)計(jì)無一不體現(xiàn)設(shè)計(jì)師的水平，下面敘述幾個(gè)需注意的問題。

4.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

結(jié)構(gòu)體系的選擇，應(yīng)從建筑、結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)條件、建材、經(jīng)濟(jì)等各專業(yè)綜合考慮。

結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。規(guī)范在這方面有相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案?！币虼?，結(jié)構(gòu)工程師在遵循規(guī)范規(guī)定上必須格外注意，避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。

結(jié)構(gòu)的超高問題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)總高度都有嚴(yán)格限制，除將原來的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度建筑外，還增加了B級(jí)高度建筑，因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)高度嚴(yán)格控制，一旦結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑或超過了B級(jí)高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。

4.2 “設(shè)縫”

溫度伸縮縫、沉降縫、防震縫是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較重要的構(gòu)造措施。對(duì)溫度伸縮縫，其影響因素很多，規(guī)范用規(guī)定結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距來控制，還規(guī)定了最大間距宜適當(dāng)減小和適當(dāng)放寬的情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的具體情況執(zhí)行相關(guān)條文。如北京朝陽商業(yè)中心、廣東佛山醫(yī)院等工程地上結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度均超過100米，由于采取了可靠措施，也未設(shè)溫度伸縮縫而效果良好。

沉降縫由于同一建筑物中各部分基礎(chǔ)顯著的沉降差產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)中，通常用“放”、“抗”、“調(diào)”等辦法解決，即設(shè)沉降縫、采用剛度大的基礎(chǔ)、調(diào)整各部分基礎(chǔ)形式或施工順序。目前，廣州、深圳等地多采用基巖端承樁，主樓、裙房間不設(shè)縫；北京的高層建筑則一般采用施工時(shí)留后澆帶的做法。設(shè)計(jì)師應(yīng)在實(shí)際中靈活掌握。

防震縫在規(guī)范中有明確規(guī)定，但應(yīng)據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)放寬或縮小。

4.3 側(cè)向位移的限值

高層建筑結(jié)構(gòu)的水平位移隨著高度增長(zhǎng)而迅速變大，為防止位移過大，規(guī)范對(duì)頂點(diǎn)位移和層間位移都作了限制?？刂祈旤c(diǎn)位移u/h的主要目的是保證建筑內(nèi)人體有舒適感和防止房屋在罕遇地震時(shí)倒塌。但控制房屋在罕遇地震時(shí)倒塌與否的條件是結(jié)構(gòu)極限變形能力而不是u/h限值。另外，為使結(jié)構(gòu)具有較好的防倒塌能力，應(yīng)在結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮相關(guān)效應(yīng)?？刂茖娱g位移△u/h的主要目的是防止填充墻、裝飾物等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂和損壞。

4.4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問題

建筑結(jié)構(gòu)的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心即為建筑三心，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要求建筑三心盡可能匯于一點(diǎn)，即三心合一。結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中未做到三心合一，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。為避免建筑物因水平荷載作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能使建筑物做到三心合一。在水平荷載作用下，高層建筑扭轉(zhuǎn)作用的大小取決于質(zhì)量分布。為使樓層水平力作用沿平面分布均勻，減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，應(yīng)使建筑平面盡可能采用方形、矩形、圓形、正多邊形等簡(jiǎn)單平面形式。在某些情況下，由于城市規(guī)劃對(duì)街道景觀的要求以及建筑場(chǎng)地的限制，高層建筑不可能全部采用簡(jiǎn)單平面形式，當(dāng)需要采用不規(guī)則L形、T形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時(shí)，應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，同時(shí)，在結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)處于對(duì)稱狀態(tài)。

結(jié)語

高層建筑的發(fā)展，充分顯示了科學(xué)技術(shù)的力量，使設(shè)計(jì)師從過去強(qiáng)調(diào)藝術(shù)效果轉(zhuǎn)向重視建筑特有功能與技術(shù)因素。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要明確自己的責(zé)任，從結(jié)構(gòu)方案的確定、結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造要求等多方面考慮，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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