淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

宋金蘭

（江西省吉安市建筑設(shè)計規(guī)劃研究院，江西 吉安 343000）

對于高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計師在進行結(jié)構(gòu)選型時，不僅要考慮結(jié)構(gòu)體系的適用性與經(jīng)濟性，還要充分考慮抗震性能等幾方面。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的原則

1.1 選用適當?shù)挠嬎愫唸D：結(jié)構(gòu)計算式在計算簡圖的基礎(chǔ)上進行的，計算簡圖選用不當則會導致結(jié)構(gòu)安全的事故常常發(fā)生，所以選擇適當?shù)挠嬎愫唸D是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計算簡圖還應有相應的構(gòu)造措施來保證。實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點不可能是純粹的鉸結(jié)點和剛結(jié)點，但與計算簡圖的誤差應在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。

1.2 選擇合適的基礎(chǔ)方案：基礎(chǔ)設(shè)計應根據(jù)工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析，選擇經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)方案，設(shè)計時宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時應進行地基變形驗算?；A(chǔ)設(shè)計應有詳盡的地質(zhì)勘察報告，對一些缺少地質(zhì)報告的建筑應進行現(xiàn)場查看和參考臨近建筑資料。通常情況下，同一結(jié)構(gòu)單元不宜用兩種不同的類型。

1.3 合理選擇構(gòu)方案：一個合理的設(shè)計必須選擇一個經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案，也就是要選擇一個切實可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應受力明確，傳力簡捷。同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系，地震區(qū)應力求平面和豎向規(guī)則。總而言之，必須對工程的設(shè)計要求、材料供應、地理環(huán)境、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時應進行多方案比較，擇優(yōu)選用。

1.4 正確分析計算結(jié)果：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍采用計算機技術(shù)，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結(jié)果。因此設(shè)計師應對程序的適用范圍、條件等進行全面了解。在計算機輔助設(shè)計時，由于結(jié)構(gòu)實際情況與程序不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結(jié)果，因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時應認真分析，慎重校核，做出合理判斷。

1.5 采取相應的構(gòu)造措施：結(jié)構(gòu)設(shè)計始終要牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓若拉原則”，注意構(gòu)件的延性性能；加強薄弱部位；注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執(zhí)行段錨固長度；考慮溫度應力的影響力。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

2.1 水平力是設(shè)計主要因素

在低和多層房屋結(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。而在高層建筑中，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和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動力性的不同而有較大的變化。

2.2 抗震設(shè)計要求更高

有抗設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、風荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

2.3 軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負彎矩值增大；還會對預制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調(diào)整；另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會得出偏于不安壘的結(jié)果。

2.4 結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標

相對于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當?shù)拇胧?，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3 重點提高結(jié)構(gòu)重要部位的延性

為了提高高層建筑的抗震能力和抗倒塌能力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應該盡可能的提高所有構(gòu)件的延展性。但是在具體操作中，想要完全做到這一點是不切實際的。因而，通常會選擇提高結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件或是某些構(gòu)件中的一些關(guān)鍵部位的延性。

在豎向結(jié)構(gòu)對于剛度沿高度均勻分布、結(jié)構(gòu)比較簡單的高層建筑，在提高延性時主要側(cè)重于底部構(gòu)件；對于底盤較大的高層建筑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應該著重提高主樓和裙樓屋面相銜接處構(gòu)件的延性；對框支結(jié)構(gòu)則要重點加強底部幾層或是底層框架的延性；而對于那些不規(guī)則立面的高層建筑，要注意提高形體突變處構(gòu)件的延性。

在結(jié)構(gòu)平面位置上，應該注意建筑周邊轉(zhuǎn)角處、平面突變處和復雜平面各翼相接處構(gòu)件的延性；對偏心結(jié)構(gòu)，則主要是加大建筑物周邊特別是剛度較差一側(cè)構(gòu)件的延性；對那些有多道抗震防線抗側(cè)力構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時要著重加大第一道防線構(gòu)件的延性。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)問題分析

4.1 結(jié)構(gòu)的超高問題：在抗震規(guī)范和高規(guī)范中，對結(jié)構(gòu)的總高度有著嚴格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為A級高度以為，增加了B級高度，處理措施與設(shè)計方法都有較大改變。在實際工程設(shè)計中，出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設(shè)計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當巨大。

4.2 短肢剪力墻的設(shè)置問題：在新規(guī)范中，對墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設(shè)計工作增加不必要的麻煩。

4.3 嵌固端的設(shè)置問題：由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設(shè)計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計算時嵌的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設(shè)計工作的大量修改或埋下安全隱患。

4.4 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題：新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設(shè)計方案?！币虼耍Y(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作的被動。

結(jié)語

隨著高層建筑的快速發(fā)展，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中都可能會遇見各種問題。這就需要工程設(shè)計人員不斷的提高自身的知識和業(yè)務(wù)能力，結(jié)合高層建筑工程的具體狀況，對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的各項問題進行合理分析和科學判斷，并運用恰當?shù)姆椒ㄟM行處理和完善，保證高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量。

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