分析高層民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和常見問題

方澤鵬

（東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，商業(yè)競爭越來越激烈，在這種背景下，高層建筑也得到了空前的發(fā)展，建設(shè)規(guī)模越來越大，建筑的結(jié)構(gòu)和高度也出現(xiàn)了很大的改變，結(jié)構(gòu)功能越來越復(fù)雜，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，就需要對建筑設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行提升。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則

1.1 選擇良好的結(jié)構(gòu)方案

在設(shè)計(jì)高層時(shí)，需要考慮設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性，要盡可能選擇務(wù)實(shí)的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系，在相同的結(jié)構(gòu)單元中，一般不建議把各種不同類型的結(jié)構(gòu)體系混合起來進(jìn)行使用，要保證結(jié)構(gòu)體系受力的明確性和受力傳達(dá)的便捷性，在設(shè)計(jì)高層結(jié)構(gòu)的時(shí)候，要對各種影響因素進(jìn)行全面的分析，和相關(guān)的專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討論，最后設(shè)計(jì)出合理的高層建筑結(jié)構(gòu)施工方案[1]。

1.2 選擇合理計(jì)算簡圖

高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖對高層結(jié)構(gòu)的計(jì)算公式、結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法都有比較大的影響，如果選擇的計(jì)算簡圖不正確，會對高層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全造成較大的影響，因此選擇合理的計(jì)算簡圖是保證高層建筑結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)。在選擇計(jì)算簡圖時(shí)，不可避免的會有誤差出現(xiàn)，為了保證建筑的施工質(zhì)量，要將誤差控制在設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍中。

1.3 對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的分析

在高層建筑設(shè)計(jì)過程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)是一種使用比較廣泛的技術(shù)，不過因?yàn)楫?dāng)前市面上存在的計(jì)算機(jī)軟件類型比較多，不同的計(jì)算機(jī)軟件所得到的計(jì)算結(jié)果也存在較大的差異化，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要對各種軟件的適用范圍和使用條件有一個(gè)詳細(xì)的了解，從而避免在計(jì)算機(jī)計(jì)算輔助結(jié)構(gòu)時(shí)，因?yàn)檐浖陨淼木窒扌?，程序無法適應(yīng)結(jié)構(gòu)等情況，對工程建筑的設(shè)計(jì)造成較大的影響。另外，要盡可能避免在使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的過程中出現(xiàn)人為性的操作問題，除了設(shè)計(jì)師要認(rèn)真地進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入以外，在后續(xù)的工作中，結(jié)構(gòu)工程師要認(rèn)真審查數(shù)據(jù)，對計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而做出準(zhǔn)確的判斷。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

2.1 要給予軸向變形的問題足夠的重視

在高層建筑施工的過程中，因?yàn)樨Q向負(fù)荷比較大，會導(dǎo)致柱中出現(xiàn)程度比較大的變形，對彎矩和連續(xù)墻造成比較大的影響。一般情況下，此影響主要有下面兩個(gè)方面：一是降低連續(xù)梁中間支座的負(fù)彎矩值，二是對跨中正彎矩的數(shù)值或端支座負(fù)彎矩?cái)?shù)值進(jìn)行增加，除了會對以上兩個(gè)因素造成影響外，還會對構(gòu)件的剪力、側(cè)移、構(gòu)件的下料長度造成較大的影響，通過使用構(gòu)件的豎向變形和構(gòu)件進(jìn)行對比，可以得出不安全的結(jié)果，可以參考計(jì)算軸向變形的數(shù)值對構(gòu)件下料長度的影響進(jìn)行預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果合理的分配下料長度[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)延性是設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)

和低層的建筑結(jié)構(gòu)相比，高層建筑結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)方面較為柔和，在受到地震作用時(shí)，如何保證建筑結(jié)構(gòu)變形的合理性就變得非常重要，為了防止高層建筑在受到大的沖力后，高層建筑仍然有良好的變形能力，不會有坍塌的情況出現(xiàn)，就需要在設(shè)計(jì)高層建筑的結(jié)構(gòu)時(shí)，使用科學(xué)合理的預(yù)防措施，確保高層建筑結(jié)構(gòu)有加大的抗沖擊延性。

2.3 水平荷載對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響

對于絕大多數(shù)的高層建筑來說，豎向荷載是一個(gè)定值，而對于風(fēng)荷載、地震作用等水平荷載，會在高層建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性不斷變化的情況下，有較大的浮動(dòng)變化，而且，高層建筑高度引起的軸力數(shù)值和樓房自身的重量以及建筑的高層成一次方正比，而水平荷載引起的軸力和傾覆力矩與建筑高度的二次方成正比。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的問題和解決方法

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的常見問題

3.1.1 結(jié)構(gòu)超高的問題

在建筑物高度不斷增加的情況下，一些對建筑結(jié)構(gòu)造成影響的因素已經(jīng)超出了規(guī)定的范圍，出現(xiàn)了很大的變化，例如材料的性能、力學(xué)模型的選擇、荷載的取值、延性的基本要求、安全指標(biāo)等，都發(fā)生了比較大的改變，所以，在設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)師要注意對此項(xiàng)控制的因素進(jìn)行認(rèn)真考慮。

3.1.2 設(shè)置嵌固端是出現(xiàn)的問題

因?yàn)楦邔咏ㄖ话愣荚O(shè)置有地下室和人防，通常情況下會將地下室頂板和人防頂板設(shè)置為嵌固端。在設(shè)計(jì)的過程中，常常會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師對嵌固端設(shè)計(jì)考慮不完善，從而引發(fā)的各種問題[3]。例如嵌固端位置和結(jié)構(gòu)抗震縫之間設(shè)置的協(xié)調(diào)性、計(jì)算整體結(jié)構(gòu)時(shí)，嵌固端上下層的抗震等級，嵌固端上層和下層的剛度情況，在處理的過程中，任何一個(gè)方面忽略都會對以后的設(shè)計(jì)工作造成影響，存在較大的安全隱患。

3.1.3 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

和以往的設(shè)計(jì)規(guī)范相比，新規(guī)范的限制條件有了很大的增加，而且新規(guī)范也明確規(guī)定不允許在建筑中使用不規(guī)范的設(shè)計(jì)方案，所以，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的過程中，相關(guān)的設(shè)計(jì)師要認(rèn)真遵守相關(guān)的要求規(guī)定，避免出現(xiàn)一些不必要的麻煩。

3.2 計(jì)算和分析結(jié)構(gòu)過程中常見的問題

3.2.1 是否有足夠的振型數(shù)量

在新的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，新增了一個(gè)振型參與系數(shù)的概念，并且將此參數(shù)的限值指了出來，通常情況下，振型數(shù)量的多少和結(jié)構(gòu)的層數(shù)有直接的聯(lián)系，所以，在計(jì)算分析的過程中，需要對計(jì)算結(jié)果中的參數(shù)進(jìn)行判斷，然后決定是否對振型數(shù)量的取值進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2 選擇合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件

當(dāng)前 SAP、ETABS、TBSA、ASTWE、TAT 是比較常用的計(jì)算軟件，因?yàn)椴煌能浖谀Ｐ头矫娲嬖诤艽蟮牟町愋?，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果也不盡相同。如果使用的計(jì)算軟件不合理，不僅浪費(fèi)了大量的時(shí)間和精力，而且有比較大的安全隱患存在。所以，在設(shè)計(jì)的過程中，結(jié)構(gòu)工程師首先要根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件模型的基本特征和建筑的結(jié)構(gòu)類型，使用合理的計(jì)算軟件。

3.2.3 設(shè)計(jì)和計(jì)算非結(jié)構(gòu)構(gòu)件

在對高層建筑進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師要考慮是按照多塔類型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性的計(jì)算，還是分開計(jì)算。當(dāng)多塔間剛度有比較大的差異時(shí)，即是相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)和振型參數(shù)符合要求，仍然會有地震力計(jì)算誤差存在，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全隱患。

3.3 超筋的問題

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁超筋是一種非常常見的現(xiàn)象，主要是因?yàn)榧袅o法滿足剪壓比，引起的連梁超筋的情況。在墻段中，大墻肢上的連梁容易出現(xiàn)超筋的情況，這主要是因?yàn)閴χ缑娴母叨炔灰恢乱鸬?。在平面結(jié)構(gòu)中，當(dāng)墻段比較長的時(shí)候，中部位置很容易有連梁超筋的情況出現(xiàn)，在剪力墻結(jié)構(gòu)中，樓層高度1/3的位置容易出現(xiàn)連梁超筋的情況。

3.4 軸壓比存在問題

在高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)中，一般會利用增加柱子截面的方法來對軸壓比進(jìn)行控制，通過對軸壓比進(jìn)行控制，可以有效地避免受拉鋼筋沒有達(dá)到屈服，而出現(xiàn)的混凝土被壓碎的情況[4]。在施工的過程中，如果柱子的變形能力不高，就證明結(jié)構(gòu)的延性不高，即抗震性能差，遇到地震時(shí)，結(jié)構(gòu)就會被破壞。但是在設(shè)計(jì)的過程中，如果可以保證強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)質(zhì)量，使其擁有良好的延性，就可以對軸壓比的限值進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆潘伞?/p>

4 結(jié)語

總而言之，隨著近年來我國高層建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為高層建筑行業(yè)的一個(gè)重要的施工環(huán)節(jié)，由于高層建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量的良好性，對高層建筑的施工質(zhì)量有比較大的影響，因此對高層建筑設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求也越來越高，對建筑行業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性有較大的影響。本文通過對高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分析，對設(shè)計(jì)過程中容易出現(xiàn)的問題進(jìn)行探討，以期在以后的設(shè)計(jì)過程中，可以設(shè)計(jì)出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高的施工方案。

[1]蔣晟.淺探高層建筑設(shè)計(jì)和城市空間合理化[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，13（09）：129-130.

[2]何瑋瑋.高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃設(shè)計(jì)要點(diǎn)探究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，33（19）：67-68.

[3]魏巍.基于性能的抗震計(jì)方法在高層建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012，46（28）：134-135.

[4]莫雪輝.深度探討如何提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平[J].科技資訊，2008（28）：365-366.