高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題與對(duì)策探析

■梁笑寒 ■奧雅納工程咨詢(上海)有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510620

多層建筑向高層建筑的演變是建筑行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。從設(shè)計(jì)層面進(jìn)行優(yōu)化，能對(duì)高層建筑的品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性能的提升起到明顯作用、并可降低施工難度。在滿足相關(guān)規(guī)范要求的前提下，本文通過對(duì)某300m的塔樓設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及廣州某地標(biāo)項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)的思考，對(duì)高層建筑的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)，列出了計(jì)算設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的問題以及特殊情況下需采取的措施。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)

高層建筑與多層建筑存在明顯差異，其承受豎向與水平雙重荷載作用，豎向荷載主要由高度控制，而水平荷載大小則由當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境(風(fēng)荷載大小)及地質(zhì)條件(場(chǎng)地類別等)等決定。多層建筑高度低且自重輕，所受水平荷載通常較小，甚至可忽略;而高層建筑高度及自重大，所受地震及風(fēng)荷載較多層建筑大很多。故，高層建筑所受的水平荷載為設(shè)計(jì)計(jì)算的重要內(nèi)容。當(dāng)下，高層建筑高度越來越高，空間可視性的高要求導(dǎo)致結(jié)構(gòu)越來越柔，這決定了設(shè)計(jì)人員須花大量精力將位移/變形控制在規(guī)范要求范圍之內(nèi)。可見，抗側(cè)力構(gòu)件的設(shè)計(jì)為高層/超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，從規(guī)范條文對(duì)側(cè)向剛度比、受剪承載力比、抗側(cè)力構(gòu)件的連續(xù)性等要求上也可看出抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計(jì)的重要性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求

2．1 選擇合理的計(jì)算簡(jiǎn)圖及假定

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇符合實(shí)際的計(jì)算簡(jiǎn)圖，如計(jì)算簡(jiǎn)圖確定不妥，勢(shì)必對(duì)結(jié)構(gòu)的安全埋下隱患。故，科學(xué)合理的構(gòu)造方法及結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的精細(xì)化可縮小設(shè)計(jì)與實(shí)際的差別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)算簡(jiǎn)圖控制的規(guī)范化。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件的普及極大提高了設(shè)計(jì)效率，但其中有許多假定須設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行確定。如，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)分析時(shí)，豎向構(gòu)件的壓縮變形差與計(jì)算所采用的施工模擬方法密切相關(guān)。以某300m高塔樓為例，應(yīng)用PKPM分別采用施工模擬1與施工模擬3兩種假定，抽取的恒載下3條梁彎矩如表1?？芍捎貌煌┕つM方法顯著影響構(gòu)件的內(nèi)力，甚至導(dǎo)致內(nèi)力反號(hào)。此外，轉(zhuǎn)換層樓板的模擬方法、樓板對(duì)梁剛度的影響，梁柱重疊區(qū)的假定等對(duì)分析結(jié)果均有重要影響，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮準(zhǔn)確。

表1 恒載下不同施工模擬方法梁彎矩對(duì)比

2．2 選擇合理的基礎(chǔ)方案

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前，需掌握擬建高層建筑所處位置的地質(zhì)資料、對(duì)上部荷載分布及結(jié)構(gòu)類型深入分析、結(jié)合可行的施工條件并慮周圍既有建筑物影響，綜合比對(duì)，選擇安全、經(jīng)濟(jì)且易于施工的基礎(chǔ)方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)須要求在施工過程中及合理的使用期內(nèi)，做好基礎(chǔ)的變形監(jiān)測(cè)。

2．3 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案

好的結(jié)構(gòu)方案既能極大地滿足建筑功能需要，亦能最大限度地減少造價(jià)。在比選結(jié)構(gòu)方案時(shí)，要綜合考慮建筑功能、機(jī)電走管、施工難易程度、材料造價(jià)等因素，在滿足要求的前提下，盡可能采用形式最為簡(jiǎn)單，受力最為合理的結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置。

2．4 多種軟件對(duì)比

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，須保證正確、可靠。故《高規(guī)》5．1．12條明確規(guī)定了部分特殊的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)須采用至少兩個(gè)不同的力學(xué)分析軟件進(jìn)行整體計(jì)算，進(jìn)而驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性。目前國(guó)內(nèi)主要采用的軟件有PKPM、ETABS及MIDAS等。筆者曾采用PKPM與ETABS對(duì)某300m高塔樓進(jìn)行對(duì)比，整體指標(biāo)一致，如圖1及表2。另，從構(gòu)件層次上抽取兩條梁對(duì)兩種模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，見表3。

圖1 周期及基底剪力

表2 最大位移角

表3 梁彎矩對(duì)比

以上兩種模型計(jì)算結(jié)果的吻合，驗(yàn)證了其力學(xué)分析的準(zhǔn)確性，是后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見問題與對(duì)策

3．1 高層建筑扭轉(zhuǎn)

規(guī)范中對(duì)高層建筑的扭轉(zhuǎn)位移比有嚴(yán)格的要求，而扭轉(zhuǎn)的發(fā)生主要是由于結(jié)構(gòu)的“三心”未重合(“三心”即剛度中心、結(jié)構(gòu)重心、幾何形心)，甚至相去甚遠(yuǎn)。導(dǎo)致水平荷載作用下主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)，故在確定建筑方案時(shí)，須優(yōu)化平面布置，力求簡(jiǎn)單規(guī)則，盡量達(dá)到“三心合一”。

3．2 筏基底部挑板

合理的利用挑板可有效解決眾多工程問題。筏基挑板可調(diào)整底板邊跨鋼筋，減少邊跨通長(zhǎng)筋的用量，亦能控制基底附加應(yīng)力。在天然地基上布置挑板，可有效控制整體沉降，當(dāng)荷載出現(xiàn)偏心時(shí)，特定部位的挑板能有效調(diào)整整體傾斜與沉降差。

3．3 筏基挑板陽(yáng)角

通?；A(chǔ)底板的陽(yáng)角區(qū)域面積較小，大部分可采用正交形式，在陽(yáng)角位置懸挑板部分無需改變，在局部布置附加輻射筋即可。

3．4 節(jié)點(diǎn)鋼筋過密

在一些跨度大、荷載大的梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域計(jì)算需要很大的配筋，節(jié)點(diǎn)域鋼筋的密集造成混凝土難以振搗密實(shí)，與“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的要求背道而馳，亦會(huì)影響該處預(yù)埋件的設(shè)置。為避免此問題，設(shè)計(jì)人員應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，減少節(jié)點(diǎn)處相交構(gòu)件，并選擇適宜的鋼筋規(guī)格，必要時(shí)采取并筋處理。

3．5 主次梁相交位置附加筋的設(shè)置

部分設(shè)計(jì)人員不加區(qū)分地在主梁的主次梁交接部位設(shè)置附加筋，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。實(shí)際應(yīng)視主次梁截面情況及荷載大小來確定是否布置附加筋。如主次梁截面差別不大、次梁荷載較大，則需布置附加筋;如主梁高較次梁較大，且荷載不大時(shí)可不另設(shè)附加筋。

3．6 抗震縫設(shè)計(jì)

抗震縫是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)規(guī)范要求對(duì)抗震縫進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)，防止建筑物在地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生碰撞。但抗震縫的設(shè)置數(shù)量及寬度并非越大越來越好，在滿足要求的情況下，能少設(shè)則少設(shè)，同時(shí)，在抗震縫設(shè)置時(shí)，應(yīng)結(jié)合沉降縫、伸縮縫等綜合考慮，達(dá)到建筑物的設(shè)縫質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包含內(nèi)容十分豐富，設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷探索，相互交流學(xué)習(xí)，不斷提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的品質(zhì)，在滿足安全的前提下，降低成本。

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