高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)與常見(jiàn)問(wèn)題解析

劉英麗

摘 要： 近年來(lái)，建筑高度的不斷增加, 風(fēng)格的變化多樣， 給高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的課題和挑戰(zhàn)。 本文就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中特別要注意的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞： 高層建筑; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);常見(jiàn)問(wèn)題

中圖分類號(hào)：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和建筑功能的多樣化，建設(shè)用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要，使得城市建筑物不斷向高層發(fā)展，同時(shí)高層建筑結(jié)構(gòu)體系也變得越來(lái)越復(fù)雜，這就需要設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)依靠自己掌握的知識(shí)、根據(jù)具體情況來(lái)分析和解決可能遇到的各種問(wèn)題。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1水平荷載成為決定因素。一方面， 因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值， 僅與樓房高度的一次方成正比； 而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎向構(gòu)件中引起的軸力， 是與樓房高度的兩次方成正比； 另一方面，對(duì)某一定高度樓房來(lái)說(shuō)， 豎向荷載大體上是定值， 而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用， 其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。

2 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(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響造成連續(xù)梁中問(wèn)支座處的負(fù)彎矩值減小， 跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響， 要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整； 另外對(duì)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(huì)得出偏于不安全的結(jié)果。

3 側(cè)移成為控制指標(biāo)。與較低樓房不同， 結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加， 水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大， 因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

4 結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。相對(duì)于較低樓房而言， 高層建筑結(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(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力， 避免倒塌， 特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?來(lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

二、根據(jù)不同類型高層建筑， 選擇合理的結(jié)構(gòu)體系

1結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問(wèn)題 新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動(dòng)，新規(guī)范在這方面增添了相當(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， 新規(guī)范采用強(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” 。因此， 結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意， 以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。

2結(jié)構(gòu)的超高問(wèn)題 在抗震規(guī)范與高規(guī)中， 對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制， 尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問(wèn)題， 除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為 a 級(jí)高度的建筑外， 增加了 b級(jí)高度的建筑， 因此， 必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為 b級(jí)高度建筑甚或超過(guò)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。 在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中， 出現(xiàn)過(guò)由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問(wèn)題， 導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過(guò)， 必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開(kāi)專家會(huì)議進(jìn)行論證等工作的情況，對(duì)工程工期、 造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。

3嵌固端的設(shè)置問(wèn)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(gè)問(wèn)題上， 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來(lái)的一系列需要注意的方面， 如： 嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、 嵌固端上下層剛度比的限制、 嵌固端上下層抗震等級(jí)的一致性、 在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)嵌固端的設(shè)置、 結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等等問(wèn)題， 而忽略其中任何一個(gè)方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改或埋下安全隱患。

4短肢剪力墻的設(shè)置問(wèn)題 在新規(guī)范中，對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)， 對(duì)短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制， 因此， 在高層建筑設(shè)計(jì)中， 結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設(shè)計(jì)工作增加不必要的麻煩。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算中應(yīng)注意以下問(wèn)題

在結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析階段， 如何準(zhǔn)確， 高效地對(duì)工程進(jìn)行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理， 是決定工程設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。由于新規(guī)范的推出對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算和分析部分相當(dāng)多的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)， 因此， 結(jié)構(gòu)工程師也應(yīng)該相當(dāng)?shù)貙?duì)這一階段比較常見(jiàn)的問(wèn)題有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

3.1 結(jié)構(gòu)選型。 3.1.1 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問(wèn)題。新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動(dòng)， 新規(guī)范在這方面增添了相當(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， 新規(guī)范采用強(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。”因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。 3.1.2 結(jié)構(gòu)的超高問(wèn)題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制， 尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問(wèn)題， 除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為 a 級(jí)高度的建筑外，增加了 b 級(jí)高度的建筑， 因此， 必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為級(jí)高度建筑或超過(guò)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。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中， 出現(xiàn)過(guò)由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問(wèn)題， 導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過(guò)， 必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開(kāi)專家會(huì)議進(jìn)行論證等工作的情況，對(duì)工程工期、 造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。

3.2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要注意地方性規(guī)范的重要性問(wèn)題。 由于我國(guó)占地面積較廣，地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜， 作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)， 僅僅一本《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》無(wú)法對(duì)全國(guó)各地的地基基礎(chǔ)都進(jìn)行詳細(xì)的描述和規(guī)定， 因此， 作為建立在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之下的地方標(biāo)準(zhǔn)。地方性的 “地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范” 能夠?qū)⒏鞯胤降牡鼗A(chǔ)類型和設(shè)計(jì)處理方法等一些成熟的經(jīng)驗(yàn)描述和規(guī)定得更為詳細(xì)和準(zhǔn)確，所以，在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要對(duì)地方規(guī)范進(jìn)行深入地學(xué)習(xí)，以 避免對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或后期設(shè)計(jì)工作造成較大的影響。

3.3 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與設(shè)計(jì)。 在高層建筑中， 往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對(duì)這部分內(nèi)容， 尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)， 由于高層建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大， 因此， 必須嚴(yán)格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算處理措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。

四、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的扭轉(zhuǎn)問(wèn)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(wèn)題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)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而發(fā)生的扭轉(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,盡可能地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)。建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期問(wèn)題包含兩方面:①合理控制結(jié)構(gòu)的自振周期； ②控制結(jié)構(gòu)的自振周期使其盡可能錯(cuò)開(kāi)場(chǎng)地的特征周期。

五、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(guò)大， 規(guī)范對(duì)頂點(diǎn)位移和層間位移都作了一定的限制。 控制頂點(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(kāi)裂和損壞。

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，高層建筑發(fā)展十分迅速，建筑造型新穎獨(dú)特，建筑物的高度與規(guī)模不斷增加。隨著高層建筑進(jìn)一步的發(fā)展，滿足高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜且多元化。實(shí)踐表明在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，設(shè)計(jì)、技術(shù)人員只有概念清晰，措施得當(dāng)，才能不斷地完善和發(fā)展高層建筑。