淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

張俊華

（重慶宏筑建筑設(shè)計有限公司 重慶渝北 400021）

淺析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

張俊華

（重慶宏筑建筑設(shè)計有限公司 重慶渝北 400021）

隨著科學技術(shù)水平的不斷提升，我國建筑工程設(shè)計行業(yè)呈現(xiàn)出了新的發(fā)展特點。高層建筑由于整體高度較高、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜以及受到較大的側(cè)向載荷等原因，其設(shè)計過程需要考慮的因素較多，這使得當前在高層建筑的設(shè)計中還存在著值得探討的問題。本文探討了當前高層建筑設(shè)計中存在的問題，闡述了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性控制要點，并通過設(shè)計實例進行了驗證，具有一定借鑒價值。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；存在問題；解決措施

引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，我國的建筑行業(yè)得到飛速發(fā)展，人們對于高層建筑的質(zhì)量要求也越來越高，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范與否直接決定著高層建筑質(zhì)量的優(yōu)劣，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計在建筑工程中顯得尤為重要。所以當務(wù)之急就是盡快地提高行業(yè)內(nèi)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計能力，抓住其特點，遵循設(shè)計原則，尋求創(chuàng)新與突破。

1 當前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)的問題

隨著高層建筑的不斷興建，我國很多高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中都暴露出了一些問題，給高層建筑的建設(shè)帶來了不利的影響。

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計抗側(cè)力問題

與多層建筑相比，高層建筑在高度和層數(shù)上都有一個明顯的突破。從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，高層建筑與多層建筑在設(shè)計方法以及設(shè)計原理上基本是一致的。兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在水平荷載作用上，高層建筑的結(jié)構(gòu)材料必須能夠抵抗更大的水平荷載，對于高層建筑特別是帶高位轉(zhuǎn)換層、多塔樓和大底盤的高層建筑，都很容易在抗側(cè)力結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)問題。

1.2 高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

高層建筑的地基基礎(chǔ)設(shè)計要求很高，有很多高層建筑的地基基礎(chǔ)設(shè)計沒有對荷載進行全面的考慮，在地基基礎(chǔ)設(shè)計中，沒有進行沖切、抗剪和抗彎的處理。在進行局部填土、隔墻設(shè)置等設(shè)計環(huán)節(jié)都沒有對荷載偏心的影響進行考慮。

1.3 高層建筑軸壓比控制問題

軸壓比的限制比在高層建筑中有著嚴格的規(guī)定，很多高層建筑的設(shè)計難以滿足軸壓比的規(guī)范要求，很多構(gòu)件的截面受到了限制。軸壓比的限制對高層建筑的質(zhì)量會產(chǎn)生很大的影響。

1.4 高層建筑連梁結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

高層建筑的連梁設(shè)計包括截面的尺寸、剪壓比的限制、連梁的剪力設(shè)計取值等等。如果高層建筑中對連梁的設(shè)計不準確，截面高度過大，跨度過小，就會影響高層建筑的抗震效果。一旦發(fā)生地震，連梁的剪力和彎矩過大，難以達到相應(yīng)的抗震規(guī)范，影響高層建筑的使用安全。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性控制要點研究

2.1 高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性控制

（1）當高層建筑的設(shè)計中有地下室這一內(nèi)容時，要對荷載進行全面的考慮，地下室的外挑部分、局部填土、停車、水池等都會受到荷載偏向的影響。

（2）在對筏基和箱基的梁板配筋進行計算時，必須對底板上直接作用的梁板自重和荷載進行相應(yīng)的扣除，當箱筏的四邊邊區(qū)格和四角的地基反應(yīng)力過大的時候要對其進行加強配筋。

（3）如果高層建筑的地面有中庭設(shè)計，就必須對基礎(chǔ)底沿的軸線上進行基礎(chǔ)梁的設(shè)置。在使用倒梁法進行內(nèi)力分析時，不到頂?shù)闹虚g柱是不能夠作為支點的，在進行集中荷載計算時必須同時計算柱底反力。

（4）在對箱基進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要注意對洞口上下的連梁進行考慮，驗算其截面面積，如果洞口大小或者位置出現(xiàn)修改，要對連梁抗剪強度和抗彎進行復(fù)核。

（5）如果采用的整體筏基和箱基的設(shè)計，就要對其樁土進行考慮，樁土的共同工作會產(chǎn)生一定的影響。在對基礎(chǔ)底板進行計算時，要對樁土共同作用的狀態(tài)或樁沉降狀態(tài)下的地基反力進行考慮。

2.2 高層建筑軸壓比設(shè)計合理性控制

一般來說提高混凝土的強度是對高層建筑軸壓比進行控制的直接方法。如果還不能達到相關(guān)標準，還可以使用其他方法來對軸壓比進行控制。

（1）混凝土的變形能力受到柱的箍筋的影響，因此可以通過對混凝土的橫向變形進行約束，來對裂縫的擴展進行延緩，并對截面抗剪能力進行提高。增大配箍率、使用合適的配箍形式都可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)延性的提高。在設(shè)計時，如果采用井字復(fù)合箍進行沿柱全高，且保持箍筋的直徑、間距和肢距，一般來說直徑在8mm以上，間距在100mm以內(nèi)，肢距在100mm以內(nèi)。如果采用復(fù)合螺旋箍進行沿柱全高，則要保證8mm以上的箍筋直徑，100mm以內(nèi)的螺距和100mm以內(nèi)的肢距。

（2）在彈性模量方面，鋼筋的彈性模量高于混凝土6倍有余，如果配置了較多的縱向鋼筋在柱中，有余軸向壓力的影響，鋼筋會承擔更多的壓力，從而降低混凝土承擔的壓力。在設(shè)計中可以在柱截面中部加入附加芯柱，另加的縱向鋼筋的總面積不少于柱截面面積的0.8%都必須加入縱向鋼筋。

（3）提高混凝土強度等級對軸壓比的控制有直接的效果，但混凝土的強度越高其脆性也越大，因此要控制混凝土強度等級不超過C60。

2.3 高層建筑連梁設(shè)計合理性控制

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》以及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)設(shè)計規(guī)范當中都明確的規(guī)定了連梁的截面尺寸、剪壓比限制以及剪力設(shè)計取值等內(nèi)容。在具體的工程設(shè)計過程當中，因為連梁具有較小的跨度以及高度較大的截面，因此在地震的作用下，彎矩和剪力在經(jīng)過內(nèi)力的計算之后都比較大，因此無法使規(guī)范的要求得到充分的滿足，在對其進行設(shè)計的時候必須要以不同的情況為根據(jù)從而采取不同的措施。在地震作用下，為了對連梁的延性進行保障，并對剪力和彎矩進行有效的傳遞，剛度折減的系數(shù)就要高于0.55；在風荷載的作用下，為了將連梁的裂縫控制在正常的范圍內(nèi)，就要使剛度折減的系數(shù)高于0.80。此外，如果調(diào)整剛度折減系數(shù)后連梁仍然難以滿足要求，則可以采用內(nèi)調(diào)幅，并配置足夠的箍筋。若連梁的超筋較多，可以對連梁的高度進行減小，以減小剪力和彎矩。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實例分析

3.1 工程概況

某工程建筑面積約51000m2，地上9層，地下1層，總高度47.5m，1～3層層高5.4m，4～9層層高4.5m，夾層層高4.0m。采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，標準層建筑平面圖如圖1所示。本工程抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防，基本地震加速度為0.1g，地震分組為第一組，特征周期為0.65s，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級。

圖1 標準層建筑平面圖

3.2 結(jié)構(gòu)體系

在框架結(jié)構(gòu)平面的適當部位設(shè)置剪力墻，形成框架剪力墻結(jié)構(gòu)，標準層結(jié)構(gòu)平面圖布置如圖2所示。震害表明，框架剪力墻結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)在減輕框架及非結(jié)構(gòu)部件的震害方面有明顯的優(yōu)越性，剪力墻可以控制層間位移，降低了對框架的延性要求，簡化了抗震措施。同純框架結(jié)構(gòu)相比，加上剪力墻后結(jié)構(gòu)的耗能能力為同高度框架結(jié)構(gòu)的20倍左右。

圖2 標準層結(jié)構(gòu)布置圖

3.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計

（1）0.2Qo的調(diào)整。以地上9層作為1段進行框架部分承擔的地震剪力復(fù)核，結(jié)果顯示僅1層Y向框架達不到20%，為滿足框架作為結(jié)構(gòu)抗震第2道防線的要求，對1層框架地震剪力放大1.230從而滿足規(guī)范0.2Qo調(diào)整的要求。

（2）剪力墻約束邊緣構(gòu)件的設(shè)置。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，取底部兩層和墻體總高度的1/10，二者的較大值作為底部加強部位，初步計算時，發(fā)現(xiàn)約束邊緣構(gòu)件的縱筋配筋率超規(guī)范，后在計算時提高了剪力墻的豎向分布筋的配筋率，約束邊緣構(gòu)件的縱筋配筋率就在規(guī)范的允許范圍內(nèi)了。

（3）超長現(xiàn)澆板計算與設(shè)計。本工程X方向現(xiàn)澆板長為84m，Y方向現(xiàn)澆板長為72m，均比混凝土構(gòu)件的建議長度長很多。而建筑平面不允許分縫，最終確定采用無縫的超長結(jié)構(gòu)。超長結(jié)構(gòu)采用PMSAP軟件對樓板的溫度應(yīng)力進行計算，計算結(jié)果顯示2層、3層及頂層的溫度應(yīng)力較大。超長溫度應(yīng)力控制具體到施工圖中為以下三方面措施：①所有樓層在兩個方向上均設(shè)置溫度后澆帶；②2層、3層及頂層結(jié)合現(xiàn)澆空心板，沿板肋方向每個肋中設(shè)置3Uφs15.2（9）（60，60，60）溫度預(yù)應(yīng)力鋼筋；③樓板采用雙層雙向配筋，實配鋼筋比計算值有所加強。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

（1）結(jié)構(gòu)選型。本工程為適應(yīng)使用功能的要求，保證結(jié)構(gòu)的抗震性能，考慮水平地震作用時，采用振型分解反應(yīng)譜法計算，不考慮豎向地震作用的影響。

（2）結(jié)構(gòu)計算主要參數(shù)。計算振型個數(shù)：18；周期折減系數(shù)：0.8s；連梁折減系數(shù)：0.5；中梁剛度放大系數(shù)：2；梁扭矩折減系數(shù)：0.40。

（3）結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt=1.2418s，結(jié)構(gòu)平動為主的第一自振周期T1=1.5617s，Tt/T1=0.7952。X向剛重比EJd/GH2= 6.26，Y向剛重比EJd/GH2=6.48，該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2>1.4，能夠通過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的整體穩(wěn)定驗算；該工程結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2>2.7，可以不考慮重力一階效應(yīng)。X方向最大層間位移角1/918<1/800，Y方向最大層間位移角1/1013<1/ 800。X方向的位移比為1.29，Y方向的位移比為1.34。X方向的有效質(zhì)量及剪重比為99.45%，2.71%>1.6%，Y方向的有效質(zhì)量及剪重比為99.58%，2.83%>1.6%。

3.5 地下室及基礎(chǔ)設(shè)計

（1）地下室。本工程設(shè)1層地下室，主要為汽車停車庫以及消防水池、消防泵房等設(shè)備和輔助用房，層高5.300m，外墻為350mm厚混凝土墻，底板厚400mm，頂板厚180mm。X及Y方向均設(shè)置兩道溫度后澆帶，貫穿底板外墻及頂板。地下室占地面積較1層面積大，局部挑出主樓，為滿足抗浮設(shè)計，在這些挑出部分設(shè)置抗拔樁用來抗浮。

（2）基礎(chǔ)方案。本工程主樓樁基的持力層為粘土，單樁豎向極限承載力標準值為5800kN。但該場地原有建筑下已有樁基礎(chǔ)，設(shè)計時盡量采用異形承臺，避開原有樁基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

綜上所述，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)的過程中，不僅要對結(jié)構(gòu)計算的準確性進行重視，同時還要考慮如何合理地選擇結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計界現(xiàn)在對概念設(shè)計進行了大力的提倡，然而在實際的工程設(shè)計當中依舊存在著很多的問題，所以設(shè)計人員必須要以工程中遇到的實際情況為根據(jù)進行科學合理的設(shè)計。

[1]孫凱.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題及對策探討[J].價值工程，2011，25：88～89.

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[3]沈榮飛.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)的若干關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)研究[D].同濟大學，2007.

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TU973

A

1673-0038（2015）01-0019-03

2014-12-16

張俊華（1976-），男，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。