高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題與對策研究

蔣全

（廣州火柴建筑設(shè)計咨詢有限公司廣東廣州510000）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題與對策研究

蔣全

（廣州火柴建筑設(shè)計咨詢有限公司廣東廣州510000）

隨著我國社會經(jīng)濟增長和城鎮(zhèn)化率不斷提高，城鎮(zhèn)人口的增長所帶來的居住、經(jīng)營活動對建筑空間的需求日益增長，高層建筑因此在城市建筑群當(dāng)中占據(jù)著越來越重要的地位。結(jié)構(gòu)設(shè)計在高層建筑中承擔(dān)著安全性、經(jīng)濟性、適用性三大重要功能，本文簡要闡述高層建筑結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)方案選取、基礎(chǔ)選型、抗側(cè)力體系布置與構(gòu)造措施等在高層建筑結(jié)構(gòu)中的幾大重點問題，并針對這些問題提出一些相關(guān)研究及對策，旨在提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；重點問題；對策研究

1　引言

我國是一個人口大國，而隨著城市化的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)中心區(qū)居住用地面積日益減少，相應(yīng)的促使我國住宅建筑的主趨勢是向高層建筑方向發(fā)展。高層建筑及結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計屬于技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，具有系統(tǒng)性、綜合性和復(fù)雜性的特點。在考慮到國民經(jīng)濟發(fā)展的程度，同時高層建筑在防火、抗震、抗風(fēng)、沉降變形等方面較多層建筑具有更多的挑戰(zhàn)，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，常常由于各種如人為因素、技術(shù)因素以及其他環(huán)境因素等的影響，給高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來諸多問題。因此，如何改善和解決這些在設(shè)計中的隱性問題，對將來高層建設(shè)的順利建設(shè)有著十分重要的意義。

2　高層建筑中可能出現(xiàn)的主要問題

2.1結(jié)構(gòu)抗震

我國將高層建筑定義為10層及以上、高度超過28m的住宅建筑或高度大于24m的其他高層民用建筑。由于建筑高度的提高，在結(jié)構(gòu)抗震理論體系中，結(jié)構(gòu)所受到的側(cè)向水平地震力引起的基底總剪力相應(yīng)增加，對豎向抗側(cè)力構(gòu)件如剪力墻、柱的抗側(cè)力性能提出更高的要求。而能否讓剪力墻、框架柱形成一個安全高效的抗震結(jié)構(gòu)體系，在實際地震作用下實現(xiàn)“強柱弱梁、強剪弱彎”的構(gòu)件節(jié)點抗震效能，均是值得探討的重要問題。

2.2結(jié)構(gòu)抗風(fēng)

結(jié)構(gòu)的水平作用除了水平地震以外便是風(fēng)荷載，而風(fēng)荷載具有經(jīng)常性，同時風(fēng)壓強度的隨建筑物的高度呈倒三角形變化，是不可忽視而必須精確計算的一種作用。但由于風(fēng)荷載的作用大小與建筑的體型、周邊建筑遮擋等存在密切關(guān)系，能否通過有效的選取體型以及迎風(fēng)面來達到減少風(fēng)作用總值、合理計算風(fēng)荷載作用下的梁柱構(gòu)件強度計算，屬于此項設(shè)計中的重點難點。

2.3地基基礎(chǔ)

毫無疑問，基礎(chǔ)設(shè)計是高層建筑設(shè)計中的重中之重。建筑上部結(jié)構(gòu)的荷載通過板、梁、墻柱的傳導(dǎo)順序傳至基礎(chǔ)，基礎(chǔ)再通過與基底的土（巖）的整體變形擴散應(yīng)力。在設(shè)計基礎(chǔ)時，能否結(jié)合勘察資料根據(jù)下層土體的力學(xué)性質(zhì)來確定合理經(jīng)濟的基礎(chǔ)型式，并通過承載力計算和沉降變形計算控制，適當(dāng)考慮變剛度調(diào)平原則，合理確定上下部共同作用的結(jié)構(gòu)體系，是基礎(chǔ)設(shè)計中的重點。

2.4構(gòu)造措施

高層建筑除了在結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算上，需要實現(xiàn)較好體系整體性之外，還需要在實現(xiàn)這些性能的細節(jié)上予以保障，而這就是結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施必須進行嚴格設(shè)計的必要性。比如，要確保在地震作用下結(jié)構(gòu)具有作用的變形延性，必須要控制墻柱的軸壓比；而要減少薄弱部位在地震時發(fā)生變形突變的可能性，豎向收進大于25%的上下相鄰樓層的豎向構(gòu)件抗震構(gòu)造措施上，需提高一級；這些也是不能忽視的設(shè)計重點。

3　高層建筑物中問題的解決和改善

針對以上提出四點問題，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的各階段均應(yīng)注意，才能做到安全、經(jīng)濟、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)。主要從以下幾個方面進行重點控制和改善：

3.1前期方案階段選擇合理、科學(xué)的高層建筑設(shè)計方案

合理、科學(xué)的建筑設(shè)計方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計的先天條件和首要問題，尤其是幾個非常重要的關(guān)鍵因素，即：建筑高度、高寬比、是否存在連體建筑、有效樓板寬度等指標(biāo)是否滿足結(jié)構(gòu)規(guī)范要求；通過前期的結(jié)構(gòu)介入，為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系的合理，規(guī)避不必要的錯層、高度超限等導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)超限，而由此進入超限設(shè)計審查，相應(yīng)會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加強措施的增加和成本提升。

3.2合理布置豎向構(gòu)件，改善高層建筑的抗震性能

由于高層建筑的特殊性，其抗震性能必須得到有效的保障。就抗側(cè)力體系而言：①需要保證其各部分的結(jié)構(gòu)剛度的均勻性、對稱性，還有各結(jié)構(gòu)單元的平面、立體的形狀也盡量保持規(guī)整、規(guī)則。以上是概念設(shè)計的要求，也是確保結(jié)構(gòu)受力在剛度分配作用原則下盡量均勻，不出現(xiàn)單側(cè)受力明顯大于垂直方向，也是避免產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)位移的有效手段。②但在建筑方案日益復(fù)雜的現(xiàn)實情形下，無法保證結(jié)構(gòu)規(guī)整的情形下，在通過整體電算軟件的分析后（通用有限元軟件如PKPM、Midas等），確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心和剛度中心盡量重合。③應(yīng)通過適當(dāng)?shù)牟贾秘Q向構(gòu)件，應(yīng)盡量確保豎向構(gòu)件連續(xù)，避免不必要的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的避免了薄弱層的出現(xiàn)。

3.3風(fēng)作用控制下的結(jié)構(gòu)整體計算注意問題

由于風(fēng)荷載作用與地震作用在區(qū)域分布上不存在相關(guān)性，在部分沿海低烈度地震區(qū)，如廣東珠海，基本風(fēng)壓為0.75kN/m2，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度（地震峰值加速度0.10g），計算中往往出現(xiàn)風(fēng)荷載作用下的層間位移角大于地震作用下計算值。而根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）要求及條文說明，對60m以上的建筑建議判別為風(fēng)荷載敏感建筑，承載力計算設(shè)計時應(yīng)予以乘以1.1倍的放大系數(shù)，但整體指標(biāo)計算時不得放大。這是需要重點注意的問題一，若忽略此問題，則導(dǎo)致的問題不是內(nèi)力計算偏大便是配筋計算偏小，均不可取。

3.4合理選取基礎(chǔ)方案

從工程勘察階段，注意復(fù)核地質(zhì)勘探的結(jié)果是否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，如高層巖土勘察規(guī)范對鉆探孔的布置間距要求及控制性鉆孔的占比、鉆孔入持力層深度是否符合，確?；A(chǔ)選型的前提無誤。判定持力層后選取是采用樁基礎(chǔ)還是獨立基礎(chǔ)，是否存在軟弱下臥層或溶洞、孤石等不利地質(zhì)情形，是否需要換填等地基處理。根據(jù)上部建筑荷載分布和大小，最大化的利用地基的承載能力，最大的確?？傮w沉降符合規(guī)范，并減小結(jié)構(gòu)不同部位的差異不均勻沉降，選擇最合理的基礎(chǔ)方案。

3.5結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施的合理設(shè)計

構(gòu)造措施包含軸壓比、鋼筋抗震錨固長度、構(gòu)造配筋要求等內(nèi)容。應(yīng)注意結(jié)構(gòu)抗震等級與構(gòu)造措施的一致性，若出現(xiàn)構(gòu)造措施低于抗震等級要求，則偏于不安全。鋼筋抗震錨固長度為基本錨固長度乘以抗震錨固系數(shù)，應(yīng)特別注意在梁、墻平面外剛接時的最小直錨長度是否足夠，否則節(jié)點抗震性能不能完全發(fā)揮。軸壓比則必須在準(zhǔn)確的荷載計算的前提下，作為抗震第一道防線得到保證。

3.6剛重比分析和嵌固端的選擇

剛重比分析作為判別結(jié)構(gòu)剛性是否滿足在重力二階作用下引起不可忽略的二次應(yīng)力作用下的重要指標(biāo)，不可忽視，否則易造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的偏小而偏于不安全。嵌固端作為水平作用的剛性端，以按規(guī)范要求以上下兩層的剛度比是否小于0.5作為依據(jù)，實際工程由于需要進行嵌固端判別往往為地下室頂板，應(yīng)注意計算下層剛度時的外伸跨度通常為三跨，若頂板為無梁樓蓋體系，則應(yīng)以剛度相等原則以等代梁剛度進行換算確定。

4　總結(jié)

綜上所述，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個系統(tǒng)性和綜合性兼?zhèn)涞墓こ倘蝿?wù)，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計師培養(yǎng)較強的責(zé)任心和細致性，同時能在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計上以規(guī)范和概念設(shè)計的原則為指導(dǎo)，規(guī)避常見的誤區(qū)和問題，合理選擇和布置結(jié)構(gòu)整體體系，做好措施處理，才能實現(xiàn)在保證安全的前提下滿足其他經(jīng)濟指標(biāo)。

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TU318

A

1673-0038（2015）14-0005-02

2015-3-18

蔣全（1988-），男，助理工程師，大學(xué)本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。