談高層混凝土結構設計中常見的問題

管繼綱

(山西省冶金設計院，山西太原 030001)

結構概念設計是保證結構具有優(yōu)良抗震性能的一種方法。選擇恰當?shù)慕Y構布置方案，采用加強抗扭剛度等措施，增加混凝土結構的延性，對結構薄弱部位進行加強處理，避免薄弱部位發(fā)生過早破壞，避免采用靜定結構等等，都必須采用結構設計進行處理［1，2］。在結構設計中不能只求規(guī)范中對計算的要求，更要對以下方面進行思考:1)結構體系中對結構布置的規(guī)則性，擇優(yōu)選用抗震性能和抗風性能較好的經(jīng)濟合理布置，結構應具有較好的耗散地震力特性。2)一般的建筑工程僅進行小震下的彈性階段設計，僅僅做到了“中震可修，大震不倒”，但是建筑物是否能夠達到“中震可修，大震不倒”的效果還無法驗證。對抗震性能較高的建筑和超限建筑，審圖專家往往會給出具體設計建議:a.中、大震不屈服;b.中、大震彈性設計，確?！叭疁省痹O計貫徹實施。3)具體工程具體設計，不應千篇一律進行設計，有時也應根據(jù)業(yè)主的要求提高結構的抗震設防等級，按照大震不屈服等要求進行設計，保證建筑物在大震后不影響正常使用，而不僅是不壞或不倒。4)通常水平地震都為雙向地震，對結構布置進行優(yōu)化設計使得建筑物可以抵抗任意方向地震作用，提高主軸方向結構的剛度和抗震性。對結構構件或結構進行剛度選擇時不僅需要對場地進行可靠性分析而且需考慮到結構變形的增大會導致P—Δ效應過大最終致使結構破壞。同時結構除需要滿足水平方向的剛度之外還要滿足具有較好的抵抗地震力作用下的扭轉能力。5)在獨立的計算單元內避免結構凹角或縮頸等受力薄弱部位產(chǎn)生應力集中效應，盡量避免在凹角或縮頸部位布置樓梯間或電梯等受力復雜的部件，盡可能減小地震作用下的扭轉效應。結構布置時不宜設置較多懸挑構件或內收構件，同一垂線內懸挑構件不宜布置均勻，以免構成薄弱部位。避免因部分構件破壞而導致結構整體喪失抗震性能或豎向承載力。因此對于實際工程應采用節(jié)點有效連接或有效分離的措施，而對于高層建筑的節(jié)點應加強連接［3，4］。

1 結構選型

1.1 結構體系

工程所在地地基較好時，若上部結構滿足設計變形值時應減小結構的整體剛度。并且可以通過對建筑基礎的優(yōu)化設計和上部結構的整體布置從而突破規(guī)范中對結構的高寬比的限值，也可以通過減小剪力墻的墻肢長度，達到轉換層的上下剛度均勻，其中規(guī)范中對上下轉換層的剛度比應轉換為上下層轉角為1較為合理。規(guī)范中對于結構頂點位移和層間位移限值設定不夠合理，可通過一定措施對結構進行處理以達到規(guī)范要求。其中設置水平加強層時可以增加結構的側向剛度，同時會使邊柱的豎向荷載和水平剪力增加，因此在結構設計時應謹慎處理。

1.2 超高處理

結構設計規(guī)范中尤其是抗規(guī)和高規(guī)對建筑的總高度有嚴格限制。新規(guī)范中對于限制高度的建筑設定為A級之外同時又增加了B級高度的建筑。因此在進行建筑和結構設計時應對建筑高度進行控制，若結構高度達到B級或超過B級則結構設計方案和措施將進行較大改變。在結構設計中有時會因結構類型變更而導致結構審圖時未通過，按照規(guī)范要求必須進行重新設計或者專家論證等會對工程工期和造價等帶來一定影響［5］。

1.3 短肢剪力墻

規(guī)范中短肢剪力墻為高厚比為5～8的剪力墻，根據(jù)以往的數(shù)據(jù)資料和實際工程實例發(fā)現(xiàn)短肢剪力墻在高層建筑中的應用受到一定限制，因此在高層設計時盡量減少短肢剪力墻的使用，以免對后期施工圖設計增加麻煩。

1.4 柱和短柱軸壓比

高層結構設計中往往由于軸壓比限制導致設計時須增大柱子截面或提高混凝土強度等級，增大柱子截面不僅增加混凝土用量而且使得用鋼量增加，從而增加工程成本。根據(jù)工程實例，在進行結構設計時即使提高混凝土強度等級也不能明顯降低柱子軸壓比。對軸壓比進行控制主要是為了使柱子處于大偏壓狀態(tài)即防止受力鋼筋未達到屈服狀態(tài)而混凝土先破壞。柱子設計時若有較好的變形能力則延性較好，在地震力作用下具有較好的耗散地震力的能力，使得結構破壞的程度達到最小。但是在結構設計中倡導的“強柱弱梁”設計是有現(xiàn)實依據(jù)的，若梁具有較好的延性則柱子很難達到屈服狀態(tài)，此類情況下可以降低結構對軸壓比的限制。

在高層結構設計時并不是長細比小于4的都為短柱，判斷是否為短柱的類型有兩個限值:長細比和剪跨比，當長細比小于4且剪跨比小于2時才為短柱。

2 地基與基礎設計

建筑地基和基礎是建筑物是否能穩(wěn)固在大地上的必備條件，因此在對其進行設計時是整個建筑物設計的重中之重，同時建筑地基和基礎也是工程造價的決定性因素。因此在進行基礎設計時出現(xiàn)的任何一個偏差都會使工程產(chǎn)生巨大損失，因此在進行地基和基礎設計時應根據(jù)相關國家規(guī)范和地方規(guī)范進行設計。

我國地大物博，因此地質條件相差甚大，僅通過基礎規(guī)范進行參考和設計不全面，基礎規(guī)范不能對全國各地的地質條件進行詳細解釋和描述，因此在進行地基基礎設計時還應根據(jù)地方標準進行參考和設計，以免設計時小小的疏忽造成工程后期的巨大麻煩。

3 結構計算與分析

隨著科技的發(fā)展，研究人員不僅對各種規(guī)范進行更新而且結構計算軟件也日新月異，但是在計算過程中也會由于不能完全模擬工程實際情況或人為原因而出現(xiàn)一些計算偏差，因此如何對工程進行準確、高效的計算和處理是工程質量好壞的關鍵因素。

3.1 計算模型選取

樓板整體平面內無限剛度假定模型適用于常規(guī)結構，而樓板分塊平面內無限剛度模型適用于錯層結構等，因此在進行結構計算時應根據(jù)具體情況進行具體選用，提高工作效率。根據(jù)實際情況選取剛性樓板模型，以免造成短肢剪力墻計算值較小等情況。

3.2 抗震等級確定

常規(guī)建筑應根據(jù)高規(guī)進行具體選用，當有裙樓附屬時裙樓的抗震等級不能低于主樓;若結構具有地下室時，地下一層的頂板作為嵌固端時應使地下一層的抗震等級和上部結構保持一致，地下一層以下的結構可根據(jù)實際情況適當降低抗震等級。

3.3 振型數(shù)目是否足夠

從抗規(guī)中可知結構的振型數(shù)量和結構的層數(shù)有關，因此在進行結構計算分析時應根據(jù)規(guī)范對計算結果進行分析和判斷，研究是否需要對結構振型數(shù)量進行調整。

3.4 非結構構件的計算與設計

建筑結構中往往具有較多的非承重構件，如裝飾用構件等，對這些構件進行設計時尤其是處于屋頂處的構件存在較大的地震荷載和風荷載，因此應根據(jù)新規(guī)范對非承重構件進行嚴格計算。

4 結語

結構設計尤其是對高層結構設計時對其進行模擬計算分析是一項復雜而細致的工作，需要設計師熟悉規(guī)范和應用軟件，在其中出現(xiàn)的任何一個小差錯都可能增大結構設計或施工的復雜程度或不安定因素，因此在進行設計時應時刻注意以上幾項要求。

［1］汪夢甫，周錫元.混凝土高層建筑結構地震破壞準則研究現(xiàn)狀分析［J］.工程抗震，2002(3):1-4，13.

［2］雍 強.土木工程建筑結構設計中的問題與初探［J］.城市建筑，2014(1):46.

［3］劉軍進，肖從真，王翠坤，等.復雜高層與超高層建筑結構設計要點［J］.建筑結構，2011(11):34-40.

［4］季 靜，黃 超，韓小雷，等.基于性能的設計方法在超限高層建筑結構設計中的應用研究［J］.世界地震工程，2007(1):98-103.

［5］容柏生.國內高層建筑結構設計的若干新進展［J］.建筑結構，2007(9):1-5，34.