談高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及對(duì)策

夏曉超

摘 要：隨著人口的不斷增加，高層建筑在我國(guó)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，高度也不斷的增加。本文介紹了高層建筑設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，建筑的類(lèi)型和功能的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)體系的多樣性以及這些問(wèn)題中存在著混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，并給出相應(yīng)問(wèn)題的解決方法和策略。

關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；策略

引 言

社會(huì)責(zé)任和行業(yè)發(fā)展的需要，不斷的對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提出了更高的要求，作為高層建筑的靈魂的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)疑成為了重中之重的任務(wù)。為了更好的發(fā)揮高層建筑的優(yōu)勢(shì)，保證高層建筑的安全施工，應(yīng)提高鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和管理，對(duì)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題要給出相應(yīng)的解決方案，關(guān)鍵的問(wèn)題更要做到全盤(pán)考慮。在設(shè)計(jì)中應(yīng)突出設(shè)計(jì)內(nèi)涵，把握整體機(jī)構(gòu)，才能更好的完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。故本文對(duì)高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行分析和解決。

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

1.1 水平載荷的影響

高層樓房的自身重力加上樓面所要承受的載荷，在豎直的構(gòu)件中的彎矩和軸向力是與樓房的高度成正比的；在由水平載荷對(duì)結(jié)構(gòu)所引起的傾覆力矩、豎直方向構(gòu)件產(chǎn)生的軸力與樓房的高度的平方成正比。豎直方向載荷在高樓層上一般為一定值，水平方向的風(fēng)載荷其值是在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的作用下或有很大幅度上的變化。

1.2 不容忽視的軸向變形

豎直方向的載荷在高層建筑中的數(shù)值很大，往往能夠產(chǎn)生很大的軸向壓力變形，這種結(jié)果的影響常常是跨中正向的彎矩、端支座負(fù)向彎矩變大；連續(xù)梁中間的支座點(diǎn)的負(fù)彎矩值減小。

1.3 側(cè)移成為控制指標(biāo)

在與普通低樓房不一樣的是，由側(cè)向力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)側(cè)移，會(huì)影響到建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，使其成為高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要因素。跟隨著樓房的層層增加，水平方向上的載荷壓力下的側(cè)移變形也急劇增加，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要考慮把側(cè)移控制在某一范圍之內(nèi)。

1.4 結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

一種說(shuō)法是，高層建筑的結(jié)構(gòu)剛度越大，其承載的能力越強(qiáng)，抗震的能力也越好。事實(shí)并非如此，剛度大，則質(zhì)量大，質(zhì)量大則造價(jià)高。為了將建筑的剛度控制在一定范圍之內(nèi)，需要使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的柔性，即延展性。保證其在外力地震力的作用下，進(jìn)入塑性變形，避免倒塌。這就要求高層建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)具備延展性，同時(shí)具有承載能力。

2 結(jié)構(gòu)選型問(wèn)題

2.1 設(shè)計(jì)原則

如圖1所示，為實(shí)際施工中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)選型和內(nèi)力分析圖。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)必須遵循四個(gè)原則[1]。①為保證高層建筑在計(jì)劃的使用年限內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性的適用性原則；②使用年限能應(yīng)避免出現(xiàn)較大范圍內(nèi)的混凝土裂縫的安全性原則；③保證安全和質(zhì)量要求的年限的耐久性原則；④必須達(dá)到相關(guān)規(guī)定性的穩(wěn)定性原則。

2.2 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問(wèn)題

隨著方法的不斷創(chuàng)新和引進(jìn)國(guó)外的大批經(jīng)驗(yàn)，新的規(guī)則也相應(yīng)的出現(xiàn)變化，增添了許多的限制條件。比如說(shuō)在平面的規(guī)則性信息和嵌固端上下層剛度比方面。并且新規(guī)中明文規(guī)定了的強(qiáng)制性條文增多，比如說(shuō)建筑不應(yīng)采用很不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案，故在設(shè)計(jì)方面，工程師應(yīng)遵循新規(guī)中的這些嚴(yán)格限制和改變很多的條件，防止以后施工階段工作中的被動(dòng)。

2.3 結(jié)構(gòu)的超高問(wèn)題

新的規(guī)范是在舊的抗震規(guī)范的基礎(chǔ)上對(duì)高度做了嚴(yán)格的修訂，一方面把原來(lái)的限制高度設(shè)置為A級(jí)高度，另一方面增加了B級(jí)高層建筑。若是建筑高度達(dá)到了或者說(shuō)超過(guò)了B級(jí)建筑高度，我們必須改變?cè)O(shè)計(jì)的方法，采取必要的措施。防止由于結(jié)構(gòu)高度的變更而忽視的工程中會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，這樣就會(huì)產(chǎn)生工程施工圖審查通不過(guò)的情況，更為嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)施工圖，有時(shí)候還會(huì)需要重新開(kāi)專家會(huì)議，這樣一來(lái)對(duì)造假和工程的工期和整體的布局都產(chǎn)生了重大影響和損失。例如，超高建筑物的主樓體系選用3.6m的厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土筏板。

2.4 嵌固端的設(shè)置問(wèn)題

高層建筑物常常會(huì)有兩到三層的人防和地下停車(chē)場(chǎng)，嵌固端的位置一般會(huì)設(shè)置在人防的頂端，但是也有可能設(shè)置在地下停車(chē)場(chǎng)的頂端[2]。在嵌固端的問(wèn)題上，往往結(jié)構(gòu)工程師會(huì)忽略嵌固端設(shè)置后導(dǎo)致的一些問(wèn)題。例如：嵌固端上下層抗震的等級(jí)要保持統(tǒng)一性；樓板的設(shè)計(jì)和上下層的剛度比限制要保持一致性；在整體性上計(jì)算時(shí)，嵌固端的位置和結(jié)構(gòu)抗震縫要協(xié)調(diào)。任何一個(gè)小小的設(shè)計(jì)忽視，都會(huì)給后期的工作埋下大量修改和返工的隱患。

2.5 短肢剪力墻的設(shè)置問(wèn)題

設(shè)計(jì)人員在對(duì)高層建筑的短肢剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意剪力墻的平面結(jié)構(gòu)布局對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的均勻程度的沖擊，對(duì)短剪力墻的應(yīng)用的原則是能少用盡量少用，甚至不用。因?yàn)樵谛乱?guī)中，對(duì)短肢剪力墻在高層中的應(yīng)用增加了很多的限制，為防止以后工作的麻煩盡量少用。一是可以通過(guò)將剪力墻進(jìn)行高度的集中化和均勻設(shè)計(jì)對(duì)剪力墻的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，另一方面把高層建筑的基準(zhǔn)作為參考，對(duì)剪力墻進(jìn)行雙向布置。例如，一方面使用的是全高密間距100mm，另一方面提高構(gòu)件受剪承載力和受壓承載力。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

工程師都非常重視地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問(wèn)題，若是地基存在著嚴(yán)重的缺陷，不僅僅影響的是工期問(wèn)題，還會(huì)直接影響工程造價(jià)。沉降問(wèn)題是首要考慮的問(wèn)題，為防止不均勻的沉降對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工帶來(lái)的災(zāi)害，較長(zhǎng)的建筑物通常會(huì)在建筑平面的轉(zhuǎn)折處和高度差異很大的位置設(shè)置沉降縫，其作用就是把建筑物分別分割成幾個(gè)部分，使各個(gè)部分在設(shè)計(jì)中不受影響。天然地基是不能滿足高層建筑的承載要求的，因?yàn)楦邔咏ㄖ妮d荷往往是很大的?；A(chǔ)壓力的設(shè)計(jì)值等于或者不超過(guò)地基承載能力的5%時(shí)，可以通過(guò)提高上部的結(jié)構(gòu)剛度實(shí)現(xiàn)。當(dāng)基礎(chǔ)壓力的設(shè)計(jì)值超過(guò)地基承載能力的5%時(shí)，可以通過(guò)擴(kuò)大基礎(chǔ)底面積和減少上部的載荷等方法。我國(guó)幅員遼闊，對(duì)地基的承載能力要求也是不同的。例如內(nèi)蒙古的包頭等城市多采用的是有石屑、煤灰和水泥加水拌合而成。所以在地基基礎(chǔ)類(lèi)型學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)方法處理時(shí)，僅僅一本《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》是往往不能夠滿足要求的，地方性的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)描述更值得我們?nèi)ド钌畹难芯俊?/p>

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析問(wèn)題

4.1 結(jié)構(gòu)安全性

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須要考慮以人為本的安全性的問(wèn)題，由于高層建筑人口居多，密度較大。在天災(zāi)人禍面前，一旦設(shè)計(jì)的不夠合理，則會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的災(zāi)難后果。在保證高層建筑整體的功能和質(zhì)量的前提下，最大程度的去減低災(zāi)難程度。在設(shè)計(jì)中一是要考慮建筑結(jié)構(gòu)的承載能力和材料的最大承載力進(jìn)行比較計(jì)算。二是將結(jié)構(gòu)的自振性和環(huán)境的因素考慮在內(nèi)。提高自身結(jié)構(gòu)安全性，減少混凝土的使用量，最大程度減少自身的重量。

4.2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性

設(shè)計(jì)人員要盡可能的去采用一些穩(wěn)定性和抗入侵性都很強(qiáng)的混凝土進(jìn)行施工，這樣在材料的選擇上做了自身結(jié)構(gòu)性的最優(yōu)選擇[3]。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮到不同的構(gòu)件所處的環(huán)境進(jìn)行差異化的設(shè)計(jì)和材料的選用，使用45mm的混凝土保護(hù)層，保證其能延長(zhǎng)使用年限。

4.3 抗震性

地震對(duì)高層建筑的威脅是最大的，設(shè)計(jì)中要高度重視抗震性，減少一些不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一些展翼過(guò)長(zhǎng)的設(shè)計(jì)也應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況設(shè)計(jì)，盡可能的科學(xué)規(guī)劃和布局平面結(jié)構(gòu)。確保自身的重量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的和諧分布。在計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)是否需要地震力的放大，考慮到建筑隔墻影響，在新規(guī)中增加了振型參與系數(shù)的概念。故而對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析的時(shí)候，是否要調(diào)整振型數(shù)目、各地的地震周期需要分開(kāi)計(jì)算。在施工中需增大框架梁在恒活荷載作用下的的跨中正彎矩，此參數(shù)取1.1～1.2。

4.4 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與設(shè)計(jì)

建筑美觀或功能要求的非主體承重的一些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以及高層建筑的頂部的裝飾構(gòu)件。通常按照新規(guī)中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 總 結(jié)

高層鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的、龐大的甚至需要不斷修改的設(shè)計(jì)，任何的紕漏和差錯(cuò)都是有可能使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程變得復(fù)雜和繁瑣，甚至帶來(lái)不可挽回的損失。本文從高層建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則出發(fā)，分析了高層建筑中的不穩(wěn)定因素和對(duì)這些問(wèn)題的解決方式。提高了建筑的穩(wěn)定性和安全性，延長(zhǎng)建筑的使用年限。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇永平.高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].山西建筑，2013（09）：29～30.

[2]潘靖.鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].河北工程大學(xué)，2012.

[3]邵永玻.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討[J].門(mén)窗，2012（07）：49～53.