鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題探討

吳澤亮

（成都西南交通大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司　四川　成都　610000）

鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題探討

吳澤亮

（成都西南交通大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司四川成都610000）

隨著我國(guó)高層建筑的不斷被建成，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)慢慢成為了結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)工作過程中的主要重點(diǎn)以及難點(diǎn)所在。本文依據(jù)鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大量工程實(shí)踐，針對(duì)鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的概念設(shè)計(jì)、地基以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算等幾個(gè)方面，對(duì)最近幾年以來(lái)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的一些常見問題進(jìn)行了總結(jié)，以期為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析提供一定的參考。

高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)；地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)計(jì)算

引言

我國(guó)現(xiàn)階段的建筑行業(yè)得到快速的發(fā)展，一大批高層結(jié)構(gòu)的建筑群大量涌現(xiàn)，這就使高層建筑的建筑材料、施工技術(shù)以及設(shè)計(jì)理念都發(fā)生了巨大的變化[1]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代建筑較為普遍采取的一種結(jié)構(gòu)形式，擁有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如說(shuō)穩(wěn)定性高、強(qiáng)度大、抗震性能好以及耐久性強(qiáng)等，使得其在現(xiàn)階段高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]。為了達(dá)到高層建筑中實(shí)際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的需求，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。所以，對(duì)鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中存在的問題進(jìn)行探討，了解并掌握設(shè)計(jì)過程中經(jīng)?？赡苊媾R的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)采用合理科學(xué)的措施來(lái)提高和完善鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只有這樣才能在最大程度上提升鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量[3]。

1　概念設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需要滿足建筑工程使用功能以及實(shí)際效果，必須還具有很好的質(zhì)量保障，這一環(huán)節(jié)也是建筑結(jié)構(gòu)中最為重要的環(huán)節(jié)。在現(xiàn)階段高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，有人提出了“概念設(shè)計(jì)”這一理論，實(shí)際上建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)是一種提升結(jié)構(gòu)抗震性能的設(shè)計(jì)方法。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇優(yōu)質(zhì)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案有利于建筑整體的抗震性能。針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的每一個(gè)延性構(gòu)件，都需要對(duì)其實(shí)施具體的分析。同時(shí)還需要采用對(duì)應(yīng)的解決手段，防止一些薄弱層發(fā)生損壞的現(xiàn)象。在進(jìn)行高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)同樣說(shuō)明其重要性。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)工程師必須嚴(yán)格根據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要了解有關(guān)結(jié)構(gòu)概念的相關(guān)原則，從宏觀上杜絕出現(xiàn)計(jì)算失誤或者設(shè)計(jì)失誤的情況，確保工程的本質(zhì)安全。

1.1高寬比的規(guī)定

高寬比的規(guī)定對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)而言，其是對(duì)結(jié)構(gòu)抗傾覆能力、整體剛度、經(jīng)濟(jì)合理性、承載能力以及整體穩(wěn)定的宏觀控制指標(biāo)，是在總結(jié)長(zhǎng)期工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，從當(dāng)前絕大部分A級(jí)高度高層建筑看來(lái)，采用這一限值是比較經(jīng)濟(jì)合理且非常實(shí)用的。實(shí)施上很多學(xué)者對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、側(cè)向位移、承載能力、抗傾覆能力等性能的規(guī)定也在一定程度上體現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)高寬比的限定。當(dāng)滿足上述這些規(guī)定的時(shí)候，則高寬比的規(guī)定便不再是一個(gè)必須滿足的條件，也不再是判斷結(jié)構(gòu)是不是規(guī)則，并當(dāng)作超限高層建筑抗震審查指標(biāo)之一，需要注意的是規(guī)范的用詞為“不宜超過”。但是在實(shí)際工程中已經(jīng)存在很多超過高寬比限制的例子，比如說(shuō)上海金茂大廈為88層，高度為420m，它的高寬比是7.6，位于深圳的地王大廈為81層高度為320m，其高寬比是8.8。如果實(shí)際情況超過了限制，則需要對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施更加精確更符合實(shí)際情況的分析計(jì)算與切實(shí)可靠的構(gòu)造措施。

1.2合理科學(xué)的布置抗側(cè)力構(gòu)件

在一個(gè)完全獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部，應(yīng)該盡量防止有狹長(zhǎng)的縮頸部位以及應(yīng)力集中的凹角；同時(shí)還不能在端部和凹角處設(shè)置樓梯間以及電梯間；降低地震影響下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。豎向體型盡可能防止外挑，但是內(nèi)收也不應(yīng)該過多或過急，結(jié)構(gòu)承載力以及剛度沿房屋高度應(yīng)該保持連續(xù)、均勻分布，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的軟弱以及薄弱部位。應(yīng)該盡量防止由于部分構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的破壞而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)失去對(duì)重力荷載的承載力或者抗震能力。應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)單元之間必須遵循有效分離或牢固連接的方法。高層建筑的結(jié)構(gòu)單元還應(yīng)該采用加強(qiáng)連接的方法。

1.3嵌固端的設(shè)置相關(guān)問題

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析以前首先必須明確結(jié)構(gòu)嵌固端所處的位置，但是嵌固端的選擇卻有著各種各樣不同情況，比如沒有地下室但是基礎(chǔ)埋深卻很大；不設(shè)地下室但是樓層層數(shù)有多有少，同時(shí)基礎(chǔ)形式不一樣等。需要結(jié)合以上的一些實(shí)際情況合理選擇其結(jié)構(gòu)嵌固端，這是高層建筑結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模式中的一個(gè)非常重要假定，它不但影響著結(jié)構(gòu)中部分構(gòu)件內(nèi)力分配的精確性，同時(shí)還關(guān)系到結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移的真實(shí)性和結(jié)構(gòu)局部的經(jīng)濟(jì)性，所以，在此問題上，有關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師必須注意如下幾點(diǎn)：嵌固端上下層之間剛度比的限制、嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、在進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算過程中嵌固端的設(shè)置、嵌固端上下層之間抗震等級(jí)的一致性、嵌固端位置的協(xié)調(diào)以及結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置等有關(guān)問題，如果忽略以上中的其中任何一點(diǎn)都可能會(huì)造成后期設(shè)計(jì)工作的幅度較大的修改甚至是埋下安全隱患。

1.4短肢剪力墻的設(shè)置相關(guān)問題

所謂短肢剪力墻指的是對(duì)墻肢截面高厚比為5～8的墻，并且根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在高層建筑中應(yīng)用短肢剪力墻是需要增添更多的限制，所以，在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該盡量少采取或是不采取短肢剪力墻，以防止給后期設(shè)計(jì)工作增添不必要的麻煩。

2　地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一直以來(lái)都是結(jié)構(gòu)工程師非常重視的方面，不單單是因?yàn)檫@一階段設(shè)計(jì)過程的好壞會(huì)對(duì)后期設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行造成直接影響，同時(shí)，也是由于地基和基礎(chǔ)它是整個(gè)工程造價(jià)的重要決定性因素。所以，針對(duì)這一階段所發(fā)生的問題很有可能非常嚴(yán)重甚至導(dǎo)致無(wú)法估量的損失。

在進(jìn)行高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)建筑場(chǎng)地的水位以及地質(zhì)狀況、使用功能、上部結(jié)構(gòu)類型、相鄰建筑的相互影響以及施工條件等個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，以確保建筑物不至于發(fā)生太大的沉降或者傾斜，同時(shí)還應(yīng)該能符合正常使用要求。還應(yīng)該注重掌握相鄰各類地下實(shí)施以及地下構(gòu)筑物的標(biāo)高和位置，以確?；A(chǔ)的安全，進(jìn)而使得施工中不出現(xiàn)問題。在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)還需要注重地方性規(guī)范的重要程度問題。由于我國(guó)地域比較廣闊，地質(zhì)條件多變并且相當(dāng)復(fù)雜，僅僅一個(gè)《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》這一個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足全國(guó)各地的地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要求。所以，地方標(biāo)準(zhǔn)作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。地方有關(guān)的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范可以把每個(gè)地方的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)處理方法以及類型等一些相對(duì)比較成熟的經(jīng)驗(yàn)規(guī)定和描得更為準(zhǔn)確和詳細(xì)。因此，在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，一定要深入學(xué)習(xí)地方規(guī)范，以防止對(duì)后期設(shè)計(jì)工作或者整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的影響。

3　結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段高層建筑的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析差不多都是采用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)進(jìn)行，但是計(jì)算機(jī)軟件還無(wú)法全部代替設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)理念。在實(shí)施計(jì)算前后，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)軟件的適用范圍以及計(jì)算原理有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。在結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算階段，怎樣高效、準(zhǔn)確地對(duì)工程實(shí)施內(nèi)力分析同時(shí)根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行處理和設(shè)計(jì)，這是影響工程設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵所在。

3.1結(jié)構(gòu)整體計(jì)算可使用的軟件

現(xiàn)階段比較常用的計(jì)算軟件主要有：SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等。但是，因?yàn)槊總€(gè)軟件所使用的計(jì)算模型不是完全一樣，所以造成了每個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果存在或多或少的差異。因此，在進(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算時(shí)需要根據(jù)計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)類型選取合理的計(jì)算軟件，并從根據(jù)不同軟件計(jì)算相差很大的計(jì)算結(jié)果中，判定哪個(gè)是較為合理的、哪個(gè)是能夠作為參考的，哪個(gè)是沒有意義的，這一點(diǎn)是結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作是需要重點(diǎn)關(guān)注的工作。不然如果選擇計(jì)算軟件時(shí)不合適，不僅會(huì)浪費(fèi)大量的精力和時(shí)間，還會(huì)使得結(jié)構(gòu)存在不安全的隱患。

3.2周期折減系數(shù)

一般情況下在高層結(jié)構(gòu)中都會(huì)設(shè)置非結(jié)構(gòu)的砌體填充墻，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)該充分考慮它對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。周期的折減應(yīng)該考慮到門窗洞口的設(shè)置可能對(duì)周期的影響。填充墻的多少以及不同的結(jié)構(gòu)類型決定了周期折減系數(shù)取值大小，并不可以一概而論。

3.3振型數(shù)目是不是足夠

陣型數(shù)的多少由結(jié)構(gòu)的層數(shù)決定，所以，在分析計(jì)算階段需要依據(jù)規(guī)范要求對(duì)有關(guān)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判定，并決定是不是需要調(diào)整振型數(shù)目的取值。

3.4多塔各地震周期之間的相互干擾，是不是要分開計(jì)算

近年來(lái)，多塔樓、大底盤的高層建筑類型涌現(xiàn)較多，針對(duì)該類型高層建筑進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，是將結(jié)構(gòu)視為一個(gè)整體并且按多塔類型實(shí)施計(jì)算，還是把結(jié)構(gòu)進(jìn)行分開計(jì)算，這一點(diǎn)是結(jié)構(gòu)工程師一定需要關(guān)注的問題。如果多塔之間的剛度相差比較大，就很有可能發(fā)生即使振型參與系數(shù)符合要求，但是針對(duì)某座塔樓的地震力計(jì)算其誤差還是有可能非常大，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。

3.5非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與計(jì)算

在進(jìn)行高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，通常存在出于功能要求或者建筑美觀并且非主體承重骨架體系之內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。針對(duì)這部分的內(nèi)容，特別是對(duì)高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件實(shí)施設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)楦邔咏ㄖ牡卣鹩绊懸约帮L(fēng)荷載都非常大，所以，一定要嚴(yán)格根據(jù)規(guī)范中的有關(guān)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算處理手段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4　結(jié)束語(yǔ)

鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)復(fù)雜并且長(zhǎng)期甚至是循環(huán)往復(fù)的過程，在這個(gè)過程中，出現(xiàn)任何的錯(cuò)誤或者遺漏都很有可能使得整個(gè)設(shè)計(jì)過程更加復(fù)雜甚至使得設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生不安全因素。所以，針對(duì)所有的過程都必須實(shí)施認(rèn)真地計(jì)算與分析，同時(shí)還需要進(jìn)行不斷地優(yōu)化設(shè)計(jì)，只有這樣才能最終達(dá)到滿意的結(jié)果。

[1]黃智勇，郭顏鳳.鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見問題探討[J].江西建材，2010（20）：151.

[2]厲寬松，徐勤，劉運(yùn)林.鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題探討[J].工程與建設(shè)，2007，21（5）：723～724.

[3]劉廣明.淺談鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾個(gè)常見問題[J].企業(yè)研究，2012（24）.

TU973.12

A

1673-0038（2015）30-0016-02

2015-6-28

吳澤亮（1976-），男，工程師，大學(xué)本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。