高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策研究

王琴

【摘要】本文通過(guò)分析當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，總結(jié)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，以提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

【關(guān)鍵字】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)對(duì)策略；規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)了城市高層建筑的不斷涌現(xiàn)，而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為土建施工的基本內(nèi)容越來(lái)越被人們所重視。同時(shí)城市土地資源越來(lái)越緊張的壓力下，城市的建筑密度不斷加大，高層建筑也越來(lái)越多，再加上城市的地形限制，這就導(dǎo)致土建施工條件越來(lái)越苛刻。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)總體工程造價(jià)和工期均有著較大的影響，只有做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能促進(jìn)高層建筑的安全順利竣工。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題

（一）扭曲變形問(wèn)題

根據(jù)建筑力學(xué)的相關(guān)理論可知，高層建筑結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是底端固定的懸臂梁，相對(duì)簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，而提高該結(jié)構(gòu)的剛度是解決高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的最優(yōu)辦法。要提高該結(jié)構(gòu)的剛度就需要保證建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)中心、剛度中心、幾何中心三者是重合的，這樣才能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的抗彎曲能力。而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，是不可能做到三心重合的，在外加載荷的作用下，建筑結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生扭曲變形，在沖擊荷載的作用下甚至?xí)a(chǎn)生局部彎曲變形，影響高層建筑的穩(wěn)定性。

（二）受力性能問(wèn)題

對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，隨著建筑的高度不斷上升，其受力性能在逐漸降低。在設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員要實(shí)地勘測(cè)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、水文條件，經(jīng)過(guò)詳細(xì)準(zhǔn)確的推斷以及討論后確定設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)方案出來(lái)以后，設(shè)計(jì)人員以及審核人員要認(rèn)真分析建筑結(jié)構(gòu)的空間特性，采用相應(yīng)的仿真模擬軟件對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行模擬分析。

（三）超高問(wèn)題

隨著城市土地資源的緊張程度不斷加大，越來(lái)越多的超限高的建筑出現(xiàn)。盡管在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)建筑的高度有著明確的限制，但是受制于很多因素導(dǎo)致具體的施工中問(wèn)題重重。尤其是對(duì)于某些建筑資源匱乏的地區(qū)，如北京、上海、廣州等大型城市來(lái)說(shuō)，越來(lái)越多的人口涌入，傳統(tǒng)的中高層建筑已經(jīng)滿(mǎn)足不了人們的需求，因此興建超高層建筑成為這些地區(qū)解決城市建筑資源匱乏的有力手段。

（四）短肢剪力墻設(shè)置問(wèn)題

剪力墻結(jié)構(gòu)有著完整性良好、變形性小、結(jié)構(gòu)剛度大和強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在水平力的作用下側(cè)向變形比較小，有著比較明顯的抗震效果。高層建筑對(duì)于短肢剪力墻的定義為墻肢的截面的高度和厚度比為5-8的剪力墻，短肢剪力墻設(shè)置情況較為復(fù)雜，必須結(jié)合具體的工程設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置。在實(shí)際施工中很多剪力墻的墻肢厚度只有0.25m，導(dǎo)致墻肢與支撐梁之間的連接有效寬度不夠，再加上各種施工結(jié)構(gòu)的影響，很容易導(dǎo)致支撐梁的強(qiáng)度不足，造成截面抗扭性能不高。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

（一）建筑結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)要合理

建筑結(jié)構(gòu)模型是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，如果不能正確選定建筑結(jié)構(gòu)模型，那么就會(huì)給高層建筑造成巨大的安全隱患。同時(shí)由于高層建筑在施工的時(shí)候采取的是分階段懸臂施工方法，分段多次施工就使得施工的整體可靠性與原來(lái)的計(jì)算值有著較大的出入。而設(shè)計(jì)人員通過(guò)分析計(jì)算每個(gè)施工段的應(yīng)力應(yīng)變來(lái)分析整體施工質(zhì)量，這種方法計(jì)算量較大，而每次的計(jì)算跟實(shí)際都有出入，根據(jù)錯(cuò)誤累計(jì)原理那么整體可靠性不高。因此為了滿(mǎn)足我們的施工質(zhì)量要求，我們需要利用有相關(guān)仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)仿真軟件來(lái)計(jì)算每個(gè)施工過(guò)程的受力以及變形情況，并且根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果來(lái)監(jiān)控每個(gè)階段的施工質(zhì)量。

（二）選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，其整體力學(xué)特性有以下幾點(diǎn)：剪切應(yīng)力較大，彎曲應(yīng)力較??；支撐柱強(qiáng)度高于支撐梁的強(qiáng)度；壓應(yīng)力較大，拉應(yīng)力較小。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候要總體把握以上幾點(diǎn)特性，結(jié)合具體的工程實(shí)際，對(duì)于存在應(yīng)力危險(xiǎn)的部件以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的加強(qiáng)。加強(qiáng)構(gòu)件連接部位的應(yīng)力應(yīng)變分析，充分考慮到構(gòu)件材料的溫度特性以及應(yīng)力應(yīng)變特性，堅(jiān)決不采用可能造成應(yīng)力危險(xiǎn)的材料。

（三）選擇合理的高層建筑結(jié)構(gòu)方案

合理的高層建筑結(jié)構(gòu)方案在滿(mǎn)足相應(yīng)的技術(shù)條件的同時(shí)，也要滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性的要求，這就要求高層建筑設(shè)計(jì)盡可能要簡(jiǎn)單化設(shè)計(jì)，在相同的單元結(jié)構(gòu)中盡可能采用同一種設(shè)計(jì)方案，在能夠滿(mǎn)足力學(xué)要求的前提下，盡可能采用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案。如果建筑的施工地區(qū)地質(zhì)活動(dòng)頻繁，地下土質(zhì)較為疏松，那么應(yīng)力需要平面和豎向的規(guī)則。設(shè)計(jì)規(guī)劃方案擬定過(guò)程中要注意與其他專(zhuān)業(yè)規(guī)劃的相互協(xié)調(diào)，不斷吸取他人的經(jīng)驗(yàn)，提高整體規(guī)劃設(shè)計(jì)水平。同時(shí)在方案確定后，不得隨意更改施工方案，需要更改方案的時(shí)候應(yīng)該經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方、建設(shè)方的審核通過(guò)之后才能進(jìn)行。在建設(shè)的時(shí)候嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，按照設(shè)計(jì)要求及相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行施工，技術(shù)人員要不定時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡查，發(fā)現(xiàn)施工問(wèn)題要及時(shí)上報(bào)處理。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題應(yīng)對(duì)策略

（一）限制高層建筑的高度

為了適應(yīng)新形勢(shì)下建筑的發(fā)展需求，建筑規(guī)范在原有的A級(jí)高度的基礎(chǔ)上增加了B級(jí)高度，進(jìn)一步規(guī)范了建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員在方案設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格執(zhí)行住建部關(guān)于高層建筑設(shè)計(jì)高度的規(guī)定，對(duì)于不符合高層建筑設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)方案要及時(shí)予以否決。對(duì)于牽涉到建筑高度變更的問(wèn)題時(shí)，要組織專(zhuān)家以及技術(shù)人員進(jìn)行探討。

目前超高建筑的結(jié)構(gòu)多采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)既吸收了框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活、立面處理易于變化和內(nèi)部空間較大等特點(diǎn)，還吸收了剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。在框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置中不僅要滿(mǎn)足框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，同時(shí)還要系統(tǒng)考慮剪力墻的數(shù)量、安放位置。

（二）做好建筑嵌固端設(shè)置

依據(jù)建設(shè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，很多高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)都要配置兩層以及兩層以上的地下室，而地下室的存在無(wú)形中就會(huì)降低整體建筑的力學(xué)性能，因此需要在地下室設(shè)置相應(yīng)的嵌固端來(lái)提高建筑的穩(wěn)定性。嵌固端可以做在地下室頂端，也可以做在地下室底端。在設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員要充分考慮嵌固端帶來(lái)的影響，將嵌固端的整體剛度與地下室頂板的剛度比例控制在合理的范圍之內(nèi)，控制嵌固端上端的抗沖擊能力盡量與下端保持一致，充分協(xié)調(diào)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震縫隙設(shè)置，提高建筑嵌固端設(shè)置質(zhì)量。

（三）標(biāo)準(zhǔn)高層建筑的規(guī)則

規(guī)則性是高層建筑設(shè)計(jì)的基本原則之一，依據(jù)建筑經(jīng)驗(yàn)可知，越是規(guī)則的建筑其力學(xué)性能越高。在高層建筑的新的建筑規(guī)范中明確規(guī)定高層建筑不允許采用嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)的設(shè)計(jì)方案，其對(duì)于地下結(jié)構(gòu)嵌固端上層和下層的剛度比、建筑基準(zhǔn)的平面度、建筑的施工工序等影響建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性的因素都做了相應(yīng)的規(guī)定。所以為了避免施工后期的圖紙變動(dòng)，前期必須標(biāo)準(zhǔn)高層建筑的規(guī)則。

結(jié)語(yǔ)：隨著高層建筑不斷發(fā)展，人們對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。為了全面提升高層建筑的建設(shè)質(zhì)量，因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要根據(jù)施工的具體情況，針對(duì)建筑工程中存在的問(wèn)題，提出科學(xué)的應(yīng)對(duì)策略，從而促進(jìn)高層建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)發(fā)展。

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