高層建筑結(jié)構設計的問題及對策探討

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摘要：在城市化過程中，由于土地限制，高層建筑和超高層建筑越來越受到人們的青睞。在高層建筑的建設中，結(jié)構設計是其核心組成，其對高層建筑的安全性能起著重要影響。本文將主要探討高層建筑結(jié)構設計中面臨的主要問題，并給出解決高層建筑結(jié)構設計問題的方案對策。

關鍵詞：高層建筑；結(jié)構設計；問題；對策

隨著城市建設的不斷推進，城市可利用土地的面積不斷減少，如何有效的利用好有限的建設用地，新建高層建筑就成為現(xiàn)實的選擇。高層建筑能夠在有限的建設用地上提供更多的建筑面積，來滿足城市建設的需要。在大型城市，住宅、商場、酒店等都普遍使用高層建筑來建造。在高層建筑的建設中，結(jié)構設計是其核心組成，其對高層建筑的安全性能起著重要影響。高層建筑結(jié)構設計要綜合考慮水平側(cè)向力、基礎沉降和施工等問題，使高層建筑滿足抗震、抗風等基本要求。本文將著重分析高層建筑結(jié)構設計中面臨的主要問題，并結(jié)合工作經(jīng)驗，提出相應解決對策。

一、高層建筑結(jié)構設計的問題

1、扭轉(zhuǎn)問題

剛度中心、幾何形心、結(jié)構重心是建筑結(jié)構的三核心，在高層建筑的結(jié)構設計中，往往要求剛度中心、幾何形心、結(jié)構重心盡可能地匯于一點，形成三心合一。而高層建筑結(jié)構設計的扭轉(zhuǎn)問題，就是指在結(jié)構設計中，沒有做到三心合一，使建筑物在水平力作用下，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)震動現(xiàn)象，建筑結(jié)構受到損壞。

2、受力性能問題

在高層建筑的結(jié)構設計中，結(jié)構設計師主要是考慮高層建筑的空間組成特點，進而確定建筑的具體結(jié)構。由于高層建筑的重力始終是向下作用于地基的，因此在高層建筑的結(jié)構設計中，要考慮高層建筑的結(jié)構體系中，向下的作用力與地基的承載力之間是否相符合，如果向下的作用力超出了地基承載力的范圍，那么這個結(jié)構體系是不穩(wěn)定的。

3、鋼筋承載力問題

高層建筑一般是以寫字樓和辦公場所為主，因此高層建筑在設計中要考慮到空調(diào)和消防設備。這些設備的安裝位置與其他設備不同，其他設備可能更多的安裝于梁上，而這類設備主要安裝于樓層間的梁底之下，如果梁底沒有開洞，那么就不能進行設備的安裝。此外，在對這些設備進行安裝的過程中，如果沒有計算梁的承載力，可能會因為梁底承載力不足而出現(xiàn)安全結(jié)構問題。

4、抗震結(jié)構設計問題

在高層建筑結(jié)構設計中，要提高建筑結(jié)構的安全性和穩(wěn)定性，就需要協(xié)調(diào)好抗震烈度與結(jié)構設計之間的關系。高層建筑結(jié)構設計復雜，在設計時可能會忽略對地震的合理規(guī)劃設計。對抗震計算結(jié)果如果不夠精確，往往會使抗震結(jié)構設計存在漏洞，而這會使高層建筑在地震中出現(xiàn)破壞。此外，當前我國建筑構造規(guī)定的安全度和抗震計算方法相對較低，在軸壓比、配筋率、梁柱承載力匹配程度等抗震延性的相關規(guī)定也不夠嚴格。

5、消防設計問題

我國建筑規(guī)范中明確要求，建筑在進行結(jié)構設計都需要有科學合理的消防設計。但是高層建筑在消防設計中存在著諸多難點：首先是高層建筑所使用的材料易燃性較高，而缺少相應的替代材料；其次是高層建筑結(jié)構復雜，一旦發(fā)生火災，很難有效疏散人群；此外，高層建筑結(jié)構設計中排煙系統(tǒng)設計困難，而且居住人群多，對于消防設計更是增添了困難。

二、高層建筑結(jié)構設計問題的解決對策

1、選用合理的平面布局或結(jié)構形式

在高層建筑設計中，由于三心不歸一，使得建筑物出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問題，整個建筑結(jié)構受到破壞。為了防止這類問題的出現(xiàn)，結(jié)構設計人員在進行結(jié)構設計時應該選用相對規(guī)則合理的平面圖形及結(jié)構形式，使建筑結(jié)構三心合一。比如，結(jié)構設計人員選用的平面圖形，應該使用正方形、矩形、正多邊形、圓形等規(guī)則簡單、分布均勻的平面形式，而不要使用L形、T形、十字形等平面圖形。而在設計高層建筑結(jié)構時，要根據(jù)相應建筑規(guī)范進行設計，保證結(jié)構形式的對稱性，而要盡量避免使建筑結(jié)構部分過大。

2、確定地基承載力

地基承載力是高層建筑結(jié)構設計中需要考慮的重要因素，在結(jié)構設計之初，就需要對高層建筑的承重墻和承重柱的布局和數(shù)量等有個明確的估算，同時還需要根據(jù)地基巖土性質(zhì)、地基巖土工程力學條件，計算出地基承載力。將地基的極限承載力除以一定的安全系數(shù)以后，得出地基的容許承載力。比較高層建筑結(jié)構體系向下的作用力，與地基的容許承載力之間的大小，在地基承載力范圍之內(nèi)進行高層結(jié)構設計，只有這樣才能保證高層建筑的安全性。

3、精確計算梁的承載力

在高層建筑結(jié)構設計時，要精確計算梁的承載力，避免因為承載力不足而出現(xiàn)安全結(jié)構問題。對于需要進行梁底開洞的鋼筋，結(jié)構設計人員可以通過孔洞周邊補強筋以及開孔梁撓度、裂縫寬度等數(shù)據(jù)進行分析。對于鋼筋混凝土梁腹部開孔，國家相關規(guī)范文件，對鋼筋混凝土梁腹部開孔位置、大小、流程等都進行了明確的規(guī)定，因此設計人員在計算梁的承載力時，還需要根據(jù)腹部開孔情況，以提高鋼筋混凝土梁承載力計算的精確度。精確的承載力計算，對于提高建筑結(jié)構設計穩(wěn)定性有重要意義。

4、優(yōu)化抗震結(jié)構設計

在抗震烈度為七級及以上時，對于高層建筑的抗震結(jié)構，首先需要布置合理的抗側(cè)力構件，形成應力分布系統(tǒng)。在高層建筑的結(jié)構設計中，在水平方向上布置抗側(cè)力構件，能夠保證在水平方向上的對稱，有效降低高層建筑在地震中遭到破壞的可能性，而在垂直方向上布置抗側(cè)力構件，能夠增強結(jié)構的穩(wěn)定性，提高高層建筑的抗震能力；其次，應增加地基的抗震能力。在地震中，高層建筑的地基容易受到破壞，從而使得建筑的整體穩(wěn)定性下降，發(fā)生倒塌的危險，對此可以在進行基礎施工時通過增加樁基埋深，或者在結(jié)構設計中增加樁基與上層結(jié)構的聯(lián)動性來提高高層建筑的基礎抗震能力。此外，在高層建筑的結(jié)構設計中，高性能剪力墻也能夠有效消除地震中高層建筑所受到的沖擊力，因此可以通過適當增加墻體剛度和樓板剛度，形成高性能剪力墻，來控制建筑位移，達到抗震目的。如果高層建筑的結(jié)構是一個整體，那么在受到外力沖擊時，都能夠在這個結(jié)構體系中迅速消除。因此在進行高層建筑結(jié)構抗震設計時，要注意將建筑中的各個關節(jié)打通，使其暢通無阻，能夠最大限度地減少外力作用，通過對柱子、樓板進行一體化設計，增強高層建筑的整體性和剛度，進而增強高層建筑的抗震能力。

5、改善消防結(jié)構設計

高層建筑由于居住的人口較多，其消防安全問題尤其要引起重視。在高層建筑的消防結(jié)構設計中，對于材料的使用，應該盡量使用耐火材料，減少使用易燃材料來達到防火目的?，F(xiàn)行的建筑疏散系統(tǒng)都呈垂直狀態(tài)，一旦發(fā)生火災，疏散效率低下，因此要構建良好的疏散系統(tǒng)，達到較快疏散人群的目的，而不要局限于垂直疏散。在高層建筑中可以設置雙通道疏散、避免緊急情況下出現(xiàn)擁堵，可以增設耐火區(qū)、防煙區(qū)、避難層等基礎設施來增強高層建筑應付火災的能力。此外，在高層建筑的消防結(jié)構設計中，還可以通過設置防火隔離層，來控制火災的蔓延，避免火災引起更大的損失。

三、結(jié)語

隨著城市人口的不斷增加，高層建筑的施工越來越多，而國家也相繼出臺了一系列規(guī)定來規(guī)范高層建筑的結(jié)構設計。一般而言，高層建筑的結(jié)構設計中，扭轉(zhuǎn)問題、受力性能問題、承載力問題、抗震結(jié)構設計、消防結(jié)構設計等是主要問題，這類問題對高層建筑的穩(wěn)定性和安全性都有著重要影響，因此要創(chuàng)新高層建筑結(jié)構設計策略，確保高層建筑的安全。

參考文獻：

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