高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及對(duì)策

■吳靈平 ■福建福大建筑設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350001

高層建筑結(jié)構(gòu)體系和房屋高度的發(fā)展是與經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的。在我國，高層建筑是超過10層的住宅建筑和超過24米高的其他民用建筑。高層建筑是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物，能夠帶來明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。通過人口的集中以及建筑高度的增高，大幅度減少對(duì)土地的利用，同時(shí)有助于縮短建筑工期，減低建設(shè)成本。高層建筑的設(shè)計(jì)是其建設(shè)過程中較為重要的環(huán)節(jié)，針對(duì)高層建筑的特點(diǎn)需要對(duì)建設(shè)的結(jié)構(gòu)以及設(shè)備等方面進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，才能有效保證高層建筑的建設(shè)有效性和科學(xué)性。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

高層建筑相對(duì)于一般的建筑而言，主要的特點(diǎn)就是其整體的建筑高度較高。而這一特點(diǎn)將會(huì)帶來一系列建筑結(jié)構(gòu)方面的問題。建筑的構(gòu)建是由水平和豎向構(gòu)建組成，高層建筑中的主要水平構(gòu)件包括了梁、板，豎向構(gòu)建主要包括了墻、柱、斜撐等。豎向荷載作用在樓蓋、屋蓋上，由樓板傳至梁，再傳至墻、柱、斜撐等，最后傳遞到基礎(chǔ)。水平荷載由梁、柱、斜撐、墻組成的抗側(cè)力體系抵抗，通過樓蓋最后傳至基礎(chǔ)。高層建筑會(huì)受到水平和垂直荷載兩個(gè)方向的作用，水平作用力一般是由于外界的風(fēng)或者地震荷載所產(chǎn)生，而垂直荷載則一般是指建筑本身的重力，以及分布于各樓層的人員及設(shè)備的荷載。一般而言，在低層建筑中，其所受到的水平作用力較小，因此所帶來的影響也較小。而隨著建筑高度的增高，受到的水平風(fēng)荷載影響將越來越大，因此會(huì)產(chǎn)生較大的水平側(cè)向位移，而這無疑會(huì)對(duì)人們的居住舒適度和建筑的安全性造成較大的影響。因此，在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)尤其注意對(duì)其水平荷載作用的控制，通過抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少側(cè)向位移，保證高層建筑的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

2.1 合理的抗震設(shè)計(jì)

高層建筑的抗震設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中較為重要的環(huán)節(jié)，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分結(jié)合建筑的基本體型以及建筑所處的抗震設(shè)防烈度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)?？拐鹪O(shè)計(jì)是在重視"計(jì)算設(shè)計(jì)"的同時(shí)，要著重從結(jié)構(gòu)的整體出發(fā)，在抗震設(shè)計(jì)中具有主導(dǎo)作用，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程中在結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、延度和軸壓比方面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的"概念設(shè)計(jì)。建筑的結(jié)構(gòu)主要為簡單平面和不規(guī)則平面兩種，一般而言在地震多發(fā)地段會(huì)采用簡單平面如方形、圓形、矩形等，用于抵抗地震發(fā)生時(shí)較強(qiáng)的水平作用力。而不規(guī)則平面則是應(yīng)對(duì)城市中由于街道以及土地的限制，需要根據(jù)場地的實(shí)際情況對(duì)建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以采用不規(guī)則平面的方式。對(duì)于不同類別的高層建筑，需要采取不同的抗震措施，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的地震反應(yīng)分析，保證建筑的抗震可靠性。

2.2 選用合理的計(jì)算簡圖

在進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，需要用到相關(guān)的計(jì)算簡圖。進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析之前，應(yīng)首先將實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象和簡化，使之既能反映實(shí)際的主要受力特征，同時(shí)又能使計(jì)算大大簡化。這種經(jīng)合理抽象和簡化，用來代替實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型叫做結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖。計(jì)算簡圖的選取在結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析中占有相當(dāng)重要的地位，它直接影響著計(jì)算工作量的大小和分析結(jié)構(gòu)與實(shí)際間的差異。在進(jìn)行計(jì)算簡圖的選取時(shí)，應(yīng)注意正確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，使計(jì)算結(jié)果盡可能與實(shí)際相符。對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形影響較小的次要因素，可以較大地簡化甚至忽略，使計(jì)算大大簡化。

2.3 完善結(jié)構(gòu)措施

在對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)充分保證結(jié)構(gòu)措施的完善性。由于不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)件所承受的荷載不同，在整個(gè)建筑中所發(fā)揮的作用也不盡相同。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從整體出發(fā)，充分分析各類構(gòu)建的材質(zhì)、受力情況以及延展性，保證各類構(gòu)件能夠有效合理的共同工作。此在，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要注重外部溫度以及天氣對(duì)于建筑的影響，保證構(gòu)件面對(duì)不同的環(huán)境變化時(shí)均能達(dá)到其相應(yīng)的強(qiáng)度要求。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎以及強(qiáng)壓弱拉的基本原則，保證各類構(gòu)件的統(tǒng)一性和整體性。

2.4 正確分析計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果的分析是對(duì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行分析的過程，一般通過計(jì)算機(jī)軟件的模擬來實(shí)現(xiàn)。目前可用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析的軟件較多，不同的軟件的計(jì)算程序也不盡相同。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算與分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況對(duì)相關(guān)的計(jì)算軟件以及計(jì)算方式進(jìn)行選擇。若是計(jì)算方法選擇不正確或是由于人為的因素導(dǎo)致輸有誤，則會(huì)嚴(yán)重影響到計(jì)算結(jié)果的正確性。在計(jì)算完成后，應(yīng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析和比較，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行校對(duì)，并最終得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題及對(duì)策

3.1 超高的問題

在高層建筑中，對(duì)于其總體建筑高度的確定是很重要的，建筑的高度設(shè)計(jì)必須滿足其相關(guān)的結(jié)構(gòu)和抗震的要求。我國建筑規(guī)范對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)高度有著嚴(yán)格的規(guī)定，在新規(guī)定中不但把原來限制的高度規(guī)定為A級(jí)高度，并且增加了B級(jí)高度，從而使高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和措施都有了很大的改進(jìn)。在進(jìn)行建筑的設(shè)計(jì)時(shí)，建筑的高度對(duì)于其受到的水平荷載以及自身的重力都有很大的影響。同時(shí)，過高的建筑將會(huì)增加建設(shè)的成本以及工期。因此，在對(duì)高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)尤其注意對(duì)其超高問題的處理，合理保證建筑的高度，通過各專業(yè)的協(xié)調(diào)，達(dá)到整體設(shè)計(jì)的最優(yōu)。

3.2 扭轉(zhuǎn)問題

房屋結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題是目前世界上地震工程中的一個(gè)熱點(diǎn)問題，高層建筑因功能需要或由于受地形限制等原因，常常不能設(shè)計(jì)得完全對(duì)稱，使得扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)問題特別突出。一般而言，在設(shè)計(jì)時(shí)就要求結(jié)構(gòu)平面力求簡單、規(guī)則、對(duì)稱，結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)對(duì)稱均勻布置，盡量使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心重合。在方案階段或初設(shè)階段，結(jié)構(gòu)專業(yè)就應(yīng)當(dāng)加入建筑專業(yè)的工作，從前期就要滿足抗震的的要求，從概念設(shè)計(jì)上就要提前把握上。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時(shí)，應(yīng)計(jì)及扭轉(zhuǎn)影響，且樓層豎向構(gòu)件最大的彈性水平位移和層間位移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層間位移平均值的1.5倍。

3.3 設(shè)備承載設(shè)計(jì)問題

高層建筑中往往會(huì)存在很多相關(guān)的設(shè)備，包括各類空調(diào)和消防系統(tǒng)，且由于高層建筑的層數(shù)較多，這類設(shè)備的數(shù)量也往往較多。而一般而言，這些設(shè)備都被放置在樓層的梁底下，如果沒有梁底開洞，就沒有辦法進(jìn)行設(shè)備的安裝。因此對(duì)于梁底承載力的計(jì)算和校驗(yàn)就顯得尤為重要，若是設(shè)計(jì)不合理則有可能由于設(shè)備的荷載導(dǎo)致梁底承載力不足而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性問題。加強(qiáng)梁底的承載力設(shè)計(jì)一方面可以通過在孔洞的周圍補(bǔ)強(qiáng)筋以及通過開孔梁撓度、裂縫寬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。在進(jìn)行鋼筋混凝土梁的承載力計(jì)算時(shí)，還要綜合考慮不同種類的腹部開孔方式，以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。有效的承載力度計(jì)算以及裂縫控制措施對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性而言具有十分重要的意義。

3.4 建筑的剛度問題

在進(jìn)行高層建筑時(shí)，往往會(huì)面對(duì)建筑剛度選擇問題。剛度對(duì)于建筑的抗震以及經(jīng)濟(jì)性有著很大的影響。因?yàn)閯偠却蟮慕Y(jié)構(gòu)地震作用大，會(huì)用到更大尺寸的構(gòu)建，從而會(huì)增加成本。而較柔的結(jié)構(gòu)地震作用小，可節(jié)省材料，但是變形較大。因此在進(jìn)行建筑的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際的情況，如建筑的具體高度、體系以及周圍的環(huán)境等對(duì)建筑的剛度進(jìn)行選擇，不能一概而論。重要的是設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行變形限制，將變形限制在規(guī)范許可的范圍內(nèi)，要使結(jié)構(gòu)有足夠的剛度，設(shè)置部分剪力墻的結(jié)構(gòu)有利于減小結(jié)構(gòu)變形和提高結(jié)構(gòu)承載力。對(duì)于場地的情況分析則在于，若地基較硬則可以采取稍微柔一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，而對(duì)于軟土地基則應(yīng)選擇剛一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。通過綜合考慮，對(duì)建筑的剛度進(jìn)行選擇才能保證建筑的整體抗震性和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語

高層建筑的設(shè)計(jì)對(duì)于建筑的整體安全和可靠性有很大影響。隨著我國高層建筑的不斷增加與發(fā)展，在后期的設(shè)計(jì)建造過程中，應(yīng)從超高的問題、扭轉(zhuǎn)問題、設(shè)備承載設(shè)計(jì)問題以及建筑的剛度問題著手，在充分認(rèn)識(shí)高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，合理完成高層建筑的設(shè)計(jì)工作，促進(jìn)建筑業(yè)的高速發(fā)展。

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