關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題探討

莫承品

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層建筑已經(jīng)成為我國(guó)建筑業(yè)的主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，在今后的城市化進(jìn)程中一定會(huì)有更加良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。文章主要闡述了高層建筑的常見的問(wèn)題，并提出了一些解決對(duì)策。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題；對(duì)策

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型

高層建筑結(jié)構(gòu)體系作為抵抗水平和垂直方向荷載的傳力途徑，借助抗側(cè)力體系及配套的水平構(gòu)件與豎向構(gòu)件向基礎(chǔ)部分傳遞荷載。從建筑材料特點(diǎn)來(lái)看，高層建筑結(jié)構(gòu)主要有鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)。其中，鋼結(jié)構(gòu)高層建筑除了強(qiáng)度高以外，還具有良好的抗震性能，施工技術(shù)簡(jiǎn)易，但是造價(jià)相對(duì)較高，耐火性能差。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐火耐腐蝕，造價(jià)低，但自重大，施工流程繁瑣，質(zhì)量管理極易出現(xiàn)漏洞。鋼混組合結(jié)構(gòu)高層建筑雖然巧妙規(guī)避了二者的缺陷，但節(jié)點(diǎn)處施作流程繁瑣，鋼筋與鋼材的連接方面有技術(shù)缺陷，不能大面積推廣應(yīng)用。高層建筑結(jié)構(gòu)體系有剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)以及框架-剪力墻組合結(jié)構(gòu)。其中，框架結(jié)構(gòu)的承重部件是梁柱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系會(huì)產(chǎn)生大的側(cè)向位移，因而建筑物高度一般不能超過(guò)50m。剪力墻結(jié)構(gòu)靠高層建筑墻體承重，可有效防止水平方向的形變，保證整體結(jié)構(gòu)的性能符合建筑要求，因而常被用在高層建筑施工中。框架、剪力墻組合結(jié)構(gòu)則整合了二者的比較優(yōu)勢(shì)，并且針對(duì)二者的技術(shù)缺陷進(jìn)行改進(jìn)，因此也是高層建筑常用結(jié)構(gòu)。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見的問(wèn)題

2.1 樓層平面剛度

樓層平面剛度一直是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)比較棘手的問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員對(duì)高層建筑樓面平面剛度沒有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，在設(shè)計(jì)上只是根據(jù)數(shù)學(xué)力學(xué)模型設(shè)計(jì)樓板變形計(jì)算程序，計(jì)算后所得數(shù)據(jù)往往差強(qiáng)人意。鑒于此，要采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式來(lái)設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，前期必須妥善處理一些問(wèn)題，稍有不慎就可能產(chǎn)生不安全因素，嚴(yán)重者還可能破壞建筑結(jié)構(gòu)的安全性能。

2.2 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，在對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中最為重要也是最難實(shí)施的環(huán)節(jié)就是其抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因?yàn)楦邔咏ㄖ攸c(diǎn)，使得其在地震發(fā)生過(guò)程中可能會(huì)存在很多不確定的因素，而在目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也沒有對(duì)當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)如何有效的進(jìn)行避震以及其可能帶來(lái)的破壞性進(jìn)行足夠的考慮。而如果在設(shè)計(jì)的過(guò)程中沒有對(duì)高層建筑的相關(guān)抗震數(shù)據(jù)較為精確的分析，且不能夠根據(jù)地震發(fā)生原理為依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，則很有可能由于高層建筑抗震性能的不足而存在一定的安全隱患，從而對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅。

2.3 嵌固端設(shè)置問(wèn)題

目前，大多數(shù)高層建筑物設(shè)有兩層或兩層以上的人防或者地下室。高層建筑物的人防及地下室的頂板上都要設(shè)置嵌固端。此時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就要考慮嵌固端設(shè)置可能造成的問(wèn)題。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，要考慮嵌固端設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算參數(shù)的影響，全面考慮其可能造成影響的多種可能，有效協(xié)調(diào)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震縫的寬度及縫隙與嵌固端的位置，并將嵌固端的上層和下層對(duì)應(yīng)的剛度比值控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。此外，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要為嵌固端樓板設(shè)計(jì)合理的位置。在進(jìn)行嵌固端的設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮各方面因素，選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，盡可能避免其在高層建筑結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中出現(xiàn)安全問(wèn)題。這樣，在確保結(jié)構(gòu)安全的前提條件下，有助于促進(jìn)建筑工程項(xiàng)目的順利完工。

2.4 底層框架一剪力墻砌體結(jié)構(gòu)挑梁裂縫問(wèn)題

底層框架剪力墻砌體結(jié)構(gòu)系一類高層建筑。它的上部是多層砌體結(jié)構(gòu)，底層為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。在城市建筑中，分布在市區(qū)主干道上的大型商場(chǎng)、寫字樓和住宅小區(qū)多采用高層建筑設(shè)計(jì)，以提高土地資源利用率，降低空間成本。但設(shè)計(jì)人員追求建筑使用面積，使二層往上的部分橫墻采用了懸挑梁設(shè)計(jì)，使得底層框架一剪力墻砌體結(jié)構(gòu)梁開裂。

2.5 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

在建筑設(shè)計(jì)中，有一“建筑三心”的概念?！敖ㄖ摹奔礊閹缀涡涡摹偠戎行暮徒Y(jié)構(gòu)重心。設(shè)計(jì)師應(yīng)秉承三心合一的原則設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，就是使這三點(diǎn)歸于一點(diǎn)。如果建筑結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的問(wèn)題，就說(shuō)明“建筑三心”未能歸一點(diǎn)，使得整體結(jié)構(gòu)承受水平荷載而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題應(yīng)對(duì)策略分析

3.1 主梁若有次梁則增設(shè)附加筋

高層建筑結(jié)構(gòu)中主梁需要增設(shè)附加筋。附加筋分為箍筋和吊筋。附加筋按照設(shè)計(jì)和施工要求來(lái)增設(shè)，建筑結(jié)構(gòu)梁截面、下部集中荷載處由橫向鋼筋荷載力負(fù)擔(dān)，將一附加筋裝于梁上部，水箱下部則須先施作墊梁，再安裝附加筋。如果主、次梁截面無(wú)較大差距，但次梁荷載較大，也需要設(shè)置附加筋。但是如果次梁截面小，主梁又高，受力滿足計(jì)算要求，可無(wú)需另設(shè)附加筋。

3.2 平面與立面選擇

上文提到，應(yīng)該秉承建筑三心合一的原則設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)。施工時(shí)，如果無(wú)法滿足這個(gè)要求，結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的問(wèn)題，處理起來(lái)相當(dāng)棘手。建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)系一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，其危害不言而喻。選擇立面和平面時(shí)需要注意幾個(gè)問(wèn)題。首先，平面力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱。對(duì)完全對(duì)稱高層建筑結(jié)構(gòu)，則要按設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)一些重要節(jié)點(diǎn)的比例。切記一點(diǎn)：比例不宜過(guò)大過(guò)小，出現(xiàn)問(wèn)題要盡快補(bǔ)救。在豎向布置上，注意剛度均勻、連續(xù)，以防結(jié)構(gòu)出現(xiàn)軟弱層，剛度突變。在建筑設(shè)計(jì)中，切莫為了達(dá)到審美效果而將剪力墻切斷，降低建筑物的剛度，否則將可能產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。

3.3 水平位移控制

水平位移現(xiàn)象在高層建筑設(shè)計(jì)中極為常見。設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的安全要求設(shè)計(jì)水平位移數(shù)值，同時(shí)要兼顧周期與地震因素。應(yīng)按彎曲型設(shè)計(jì)剪力墻位移線，切忌設(shè)計(jì)成剪切型。相對(duì)而言，框架結(jié)構(gòu)位移曲線則是剪切型。假設(shè)是混合式建筑構(gòu)造，那么位移曲線也應(yīng)是相結(jié)合的。

3.4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

水平荷載能使建筑物產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象。設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，為規(guī)避這一現(xiàn)象，必須按“三心合一”的原則對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)、平面布局進(jìn)行周密的布置。水平荷載的質(zhì)量分布在一定程度上決定了它對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)造成的扭轉(zhuǎn)破壞程度。為了確保水平荷載沿樓層平面均勻分布，最大限度規(guī)避扭轉(zhuǎn)振動(dòng)破壞，建議多使用矩形、方形等平面設(shè)計(jì)。當(dāng)然，必須兼顧城市道路景觀規(guī)劃。因此，高層建筑不可能全部是方方正正的平面構(gòu)造，也要根據(jù)城市規(guī)劃和道路景觀布局適當(dāng)采用十字形、T 形或L 形等復(fù)雜建筑形式。但至少要明確一點(diǎn)，就是凸出部分的厚度與寬度的比值不得超限，并且盡量采用對(duì)稱的平面結(jié)構(gòu)。

結(jié)束語(yǔ)

高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是一個(gè)與實(shí)際緊密結(jié)合的過(guò)程，決不能脫離實(shí)際而進(jìn)行，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要綜合考慮建筑工程所在地的地理環(huán)境、水文土質(zhì)、抗震等級(jí)等，在參考規(guī)范的基礎(chǔ)之上，通過(guò)借鑒其他成功案例的經(jīng)驗(yàn)，合理安排建筑體從地下到地上，從主體到部分的結(jié)構(gòu)，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既符合外觀的視覺享受，又達(dá)到主體的結(jié)構(gòu)安全實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]榮洋，王文可，潘可明.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)探討[J].低溫建筑技術(shù)，2008（5）.

[2]于桂萍.關(guān)于多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題分析[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2008（22）.

[3]莫雪輝.深度探討如何提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平[J].科技資訊，2008（28）.

[4]李勇.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討[J].科技與生活，2010（22）.

[5]梁曉峰.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及其對(duì)策[J].山西建筑， 2013（13）.