高層建筑結構設計計算分析探討

【摘要】針對當前建筑結構不斷變得復雜，對結構設計人員提出更高的設計要求，這更需要設計人員對結構的全面把控以及對結構精確計算分析。本文通過結合筆者從事結構設計工程實踐經(jīng)驗，總結出筆者對結構設計計算方面的一些經(jīng)驗，同時結合工程實例，對結構設計過程的相關注意事項等進行深入探討，為同行提供參考借鑒。

【關鍵詞】結構設計；計算分析；高層結構；基礎設計

1.引言

隨著建筑師設計建筑形態(tài)的復雜性，對結構設計人員提出更高的要求，因此結構設計人員不僅僅要對結構進行合理的布置，同時還需要結合當前相關規(guī)范規(guī)定要求進行結構設計以及計算，在保證結構的安全性情況下，還需要考慮到工程成本的要求。因此，對于結構設計人員來說，需要不斷結合工程實踐經(jīng)驗，針對不同結構類型情況而采取有效的合理設計方案，采取相適應的結構設計方法。

2.結構設計技術要點

（1）在建筑結構設計中，應當充分考慮到結構構件的豎向荷載所產(chǎn)生的豎向變形。鑒于對于承受較大豎向荷載的構件，其會產(chǎn)生相應的軸向變形，當構件承受一定量軸向變形后，會導致連續(xù)梁的受彎狀態(tài)出現(xiàn)不同程度的變化，尤其是會明顯減小連續(xù)梁中間支座的負彎矩。另外對于預制構件的下料長度，也應當考慮到軸向變形的影響，設計人員應根據(jù)軸向變形的數(shù)值，對下料長度進行適當?shù)恼{(diào)整。

（2）在建筑結構的設計中，應當要考慮水平荷載的作用。尤其是對于高層建筑結構來說，構件在豎向荷載作用下（如恒載、活載）會產(chǎn)生軸力和彎矩，其彎矩與高度是一次方關系，但對于在水平荷載作用下，豎向構件的軸力和彎矩則與高度是二次方關系。顯然對于高層結構來說，水平荷載作用下其對結構豎向構件的影響程度大于豎向荷載。另外，從結構效應角度分析，豎向荷載對結構構件的影響效應基本上是定值，但對于水平荷載，其對結構構件的影響確實非定值，與結構的動力特性有很多關系，不同的結構特性所產(chǎn)生的水平荷載效應會出現(xiàn)很大的不同，因此對于結構設計中，設計人員應對水平荷載效應進行嚴密的計算和分析。

（3）同時對于高層結構設計應考慮結構的延性問題。隨著建筑高度的增加，其對結構的柔性產(chǎn)生較大影響，建筑高度越大，結構越是顯得柔，越柔的結構就會使得結構產(chǎn)生較大的變形，越大的結構變形就會導致結構較快地進入塑性階段，最終導致結構出現(xiàn)倒塌問題。因此結構設計時應當確保結構具有足夠的延性，具體可通過對結構采取一定的工藝和技術措施從各方面來有效地增加結構的延性。另外，鑒于隨著高度增加，水平荷載會對結構產(chǎn)生較大的水平側移，因此應當考慮到嚴格控制建筑結構的側移變形，應把結構的側向位移控制的規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

3.工程實例分析

某高層住宅結構地上建筑層數(shù)為20層，同時有一層地下室，建筑高度為75m，長寬比為3.7～7.5，高寬比為5.5～10.0之間，建筑總面積達到25萬m2。本結構地處地勢平坦區(qū)域，地基表面的土層基本為人工填土，填土下面則為沉積土，水平和豎向兩個方面的土分別較為均勻，根據(jù)本地區(qū)的規(guī)范要求，本工程為6度抗震，場地類別為三類，基本風壓取為0.45kN/m2。

3.1主體結構設計分析

從結構概念設計出發(fā)，鑒于本結構高度為75m，通過方案比較分析，本結構類型采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—剪力墻結構體系。對布置本結構的剪力墻時，充分考慮建筑使用功能要求，對剪力墻的布置位置以及豎向進行合理設計，而且剪力墻盡可能地布置在結構周邊位置，使得剪力墻有效地滿足抗側力要求同時有效地起到抗扭效果。同時剪力墻的布置可以形成筒體結構，在筒體周圍可以合理的布置框架柱。同時對本結構的樓層主次梁的布置是沿著Y方向，這是為了滿足使用功能的要求和樓高的限制，這樣有利于提高樓層的凈高，降低主梁的高度。本工程結構的嵌固端位于地下室的頂板，因此對于板厚選取時，應充分考慮板承載力以及嵌固的剛度要求，選取板厚為180mm，對板采取雙層雙向拉通配置。

3.2基礎設計

在進行基礎設計之前要充分了解地質(zhì)勘察的結果，通過承載力的計算，本工程的基礎采用梁板式筏形基礎，基礎雙向同時配置有梁，X方向的梁尺寸為900×1800，Y方向梁的尺寸有兩種，分別為1000×2000或1800×2000，根據(jù)受力的不同，合理進行梁的布置。筒內(nèi)電梯基坑和集水井會產(chǎn)生一定的沉降，這導致了在主梁的布置時，遇到沉降的部位難以進行貫通，筒體局部變形部位的豎向荷載相對較大，因此在設計基礎板厚時，考慮增加筒體四周的板厚，其值取為1.5m，而其他部位的板厚則取為1.0m。在本工程中是采用軟件進行基礎的計算的，計算時基礎采用的計算模型為彈性地基梁板，為了確保計算結構的精確度，應特別注意各種先進技術資料的收集和整理。

3.3框支層結構的設計

（1）框支柱的設計。鑒于控制框支柱的軸壓比為0.6，本工程所采用的框支柱截面形式有多種，為1300×1300或1300×2300等幾種紅形式。在設計中，通過相應的計算可知，全部的框支柱在受力方面都較為合理，沒有出現(xiàn)異常的情況，軸壓比均滿足低于0.6的要求，在0.41～0.52之間，因此，在設計中對于框支柱變形的控制情況較為理想。當進行框支柱的剪力設計時，剪壓比的大小不得超過0.15，跟根據(jù)配筋情況確定設計值，同時要乘以1.1的放大系數(shù)。柱內(nèi)的縱向配筋率低于1.2%，而箍筋配筋率不得超過1.5%，這樣的配筋情況才能保證柱的延性效果。

（2）剪力墻的設計。在本工程的剪力墻結構設計中，應根據(jù)不同部位的情況，相應的設計剪力墻的厚度。本工程中，核心筒的落地剪力墻的厚度為40cm，而在其他部位，例如建筑四角，其采用的剪力墻的厚度為70～90cm，形狀為L形。在本工程中，通過分析，采用的墻肢軸壓比的數(shù)值為0.5以內(nèi)，這樣可以有效的提高混凝土的受壓能力，整體上提高了結構的額延性。對墻體結構進行水平和豎向鋼筋的配置時，應滿足計算結果的要求，同時還應符合規(guī)范的要求，規(guī)范中規(guī)定鋼筋的最小配筋率不得低于0.3%。當對于底部加強區(qū)域的剪力墻進行設計時，有其相應的規(guī)范和技術要求。在剪力墻的周圍要布置好一定量的約束邊緣構件，這些構件的配筋率不得低于1.2%，同時箍筋的配筋率應大于1.4%。

（3）箱形轉(zhuǎn)換層樓板設計。在本工程中，存在箱形轉(zhuǎn)換層的設計。該層的總高度為244cm，樓層中的樓板厚度取值為25cm。在結構設計中，采用分析軟件進行轉(zhuǎn)換層內(nèi)力和變形的計算。通過軟件的分析結果可知，在不同的荷載作用下，該轉(zhuǎn)換層上層樓板的最大壓力均低于1.2 MPa，而下層樓板的最大壓力相對較大，為2.0MPa。規(guī)范規(guī)定，該轉(zhuǎn)化層的采用雙向進行配筋，鋼筋應貫通整個樓板，設計中，應保證樓板的裂縫在0.2mm以內(nèi)。

4.結語

結構設計直接影響到結構的安全性，文章通過結合筆者實踐經(jīng)驗，總結出結構設計中應當重點注意的幾點事項，同時結合工程實例來加以探討，提出了相應的設計策略，為同行提供參考借鑒。

參考文獻

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