論高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

摘要：隨著城市的發(fā)展，高層建筑也越來(lái)越多了。筆者主要對(duì)目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須注意的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了分析，供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)概述

1.1 高層建筑結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式繁多，框架、剪力墻、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)中較為傳統(tǒng)的、廣為應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系。隨著層數(shù)和建筑高度增加，利用結(jié)構(gòu)空間作用，又發(fā)展了框架-筒體結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、多筒結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)體系。

1.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

水平荷載起控制作用，側(cè)面位移必須加以限制，軸向變形在側(cè)移中占有很大的份額，所以在結(jié)構(gòu)體系選型時(shí)應(yīng)充分考慮這幾個(gè)特點(diǎn)。對(duì)于低層、多層或高層建筑，其豎向和水平結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的基本原理是相同的。但隨著高度的增加，由于以下兩個(gè)原因，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素：一個(gè)是較大的豎向和要求有較大的柱、墻和井筒；另一個(gè)更重要的原因是，側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須以精心設(shè)計(jì)來(lái)保證。

1.3 高層建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)的原則

1.3.1 功能適應(yīng)性原則

不同功能的建筑，往往具有不同的功能空間特征；不同的結(jié)構(gòu)體系型式，并能夠提供不同的空間布置；不同的內(nèi)部空間特征又要求不同的結(jié)構(gòu)與其相適應(yīng)。

1.3.2 高度合理性原則

不同的結(jié)構(gòu)體系往往具有不同的力學(xué)特征和整體性能，也有其整體綜合性能得到較好發(fā)揮的高度適應(yīng)范圍。

1.3.3 場(chǎng)地適應(yīng)性原則

主要是做好建筑地的防震措施。

1.3.4 空間整體性原則

建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一個(gè)由多個(gè)子結(jié)構(gòu)及其若干組成構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)體系。一個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震能力不僅取決于各子結(jié)構(gòu)及相應(yīng)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、延件及其受力狀態(tài)，而更主要地取決于保證這些子結(jié)構(gòu)、構(gòu)件能協(xié)同工作的能力或空間整體性。

1.3.5 整體穩(wěn)定性原則

1.3.6 施工方便性原則

不同的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定著結(jié)構(gòu)的施工工藝、施工難度、施工工期及可能的施工質(zhì)量。

1.3.7 經(jīng)濟(jì)有效性原則

2 高層建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

2.1 框架結(jié)構(gòu)

（1）基礎(chǔ)系梁的設(shè)置問(wèn)題。如果基礎(chǔ)埋置深度較深時(shí)，可以用基礎(chǔ)系梁減少底層柱的計(jì)算長(zhǎng)度，在±0.00以下設(shè)置系梁，此時(shí)系梁宜按一層框架梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)系梁以下的柱應(yīng)按短柱處理。如不設(shè)置基礎(chǔ)系梁，填充墻可以采用素混凝土條形基礎(chǔ)；如設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，宜在框架柱之間設(shè)置，對(duì)于不在框架柱之間的墻體基礎(chǔ)可采用素混凝土基礎(chǔ)。（2）框架結(jié)構(gòu)薄弱層的判定與處理。薄弱層是對(duì)抗震極為不利的結(jié)構(gòu)層，原則上應(yīng)避免出現(xiàn)薄弱層。避免出現(xiàn)薄弱層的最基本方法是加大該層的抗側(cè)移剛度，即加大該層的柱截面或梁截面；如果條件允許，可以改變?cè)搶訉痈呋驕p少基礎(chǔ)埋置深度。當(dāng)無(wú)法避免出現(xiàn)薄弱層時(shí)，在結(jié)構(gòu)計(jì)算和出圖時(shí)必須按照規(guī)范規(guī)定采取相應(yīng)的措施。（3）短柱問(wèn)題。在框架結(jié)構(gòu)中，如果柱凈高與柱截面高度之比≤4或剪跨比≤2，那么該柱為短柱。短柱在地震作用下，容易發(fā)生脆性破壞。處理短柱主要是增加柱的抗剪承載力及改善其變形能力，一般采用復(fù)合箍筋，箍筋沿全高加密；保證短柱的縱向鋼筋對(duì)稱布置，且每側(cè)的縱向鋼筋配筋率不宜大于1.2%的方式處理，也可以采用外包鋼板、配X形鋼筋等方式處理。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻是一種有效的抗側(cè)力構(gòu)件，剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系、筒體結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻都是作為主要的承重結(jié)構(gòu)單元，因此，剪力墻的截面設(shè)計(jì)是高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部分。在地震區(qū)剪力墻除保證有足夠的承載力外，還要保證有足夠的延性，以提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的耗能能力，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。在剪力墻墻肢截面設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)縱橫向剪力墻連成整體共向工作時(shí)，可將縱墻的一部分作為橫墻的翼緣加以考慮。同時(shí)也可將橫墻的一部分作為縱墻的翼緣予以考慮。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻常常和梁柱連一體，形成帶邊框剪力墻。因此，剪力城墻肢常常按矩形截面、T形截面或工字形截面進(jìn)行設(shè)計(jì)。在剪力墻中一般需要配置豎向鋼筋來(lái)抵抗彎矩，配置水平鋼筋來(lái)抵抗剪力的配筋形式基本上同框架梁。剪力墻結(jié)構(gòu)往往應(yīng)用于住宅和旅館客房開(kāi)間較小、墻體較多的建筑中。

2.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)

當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時(shí)，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來(lái)代替部分框架，便形成了框架剪力墻體系?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)體系是把框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)共同組合在一起形成的結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)既具有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力。在承受水平力時(shí)，框架和剪力墻通過(guò)有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中框架主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力?？蚣芗袅w系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置，增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時(shí)框架承受的水平剪力顯著降低且內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

2.4 筒體結(jié)構(gòu)

凡采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、筒體-框架、筒中筒、成束筒等多種形式。筒體是一種空間受力構(gòu)件，分實(shí)腹筒和空腹筒兩種類型。筒體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

以筒體-框架結(jié)構(gòu)為例。核心筒應(yīng)具有良好的整體性，墻肢宜均勻、對(duì)稱布置，筒體角部附近不宜開(kāi)洞，當(dāng)不可避免時(shí)，筒角內(nèi)壁至洞口應(yīng)保持一段距離，以便設(shè)置邊緣構(gòu)件，其值不應(yīng)小于500mm和開(kāi)洞墻的厚度；核心筒外墑的截面焊度不應(yīng)小于層高的1/20及200mm，對(duì)一、二級(jí)抗震設(shè)計(jì)的底部加強(qiáng)部位不宜小于層向的1/16及200mm，當(dāng)厚度不能滿足上述要求時(shí)，應(yīng)通過(guò)穩(wěn)定驗(yàn)算，必要時(shí)增設(shè)扶壁墻；在滿足承載力要求，以及軸壓比限值時(shí)，核心筒內(nèi)墻可適當(dāng)減薄，但不應(yīng)小于160mm。

2.5 建筑物的地基

為防止或減少由于地基沉降或不均勻沉降引起的構(gòu)件開(kāi)裂或破壞，可以從建筑措施、結(jié)構(gòu)措施、地基和基礎(chǔ)措施方面加以控制。諸如：避免采用建筑平面形狀復(fù)雜、陰角多的平面布置；避免立面體形變化過(guò)大；將體形復(fù)雜、荷載和高低差異大的建筑物分成若干個(gè)單元；加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的剛度；同一建筑物盡量采用同一類型基礎(chǔ)并埋置于同一土層中等一系列措施。一般對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)，由于需要一定的埋置深度，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，基礎(chǔ)一般采用樁箱或樁筏結(jié)合的形式。此時(shí)應(yīng)保證箱體的整體剛度，群樁布置的形心應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)重心相吻合。當(dāng)土層有較大起伏時(shí)，應(yīng)使用同一建筑結(jié)構(gòu)下的樁端位于同一土層中，并應(yīng)考慮可能產(chǎn)生的液化影響。

2.6 材料的選擇

在高層建筑中，根據(jù)現(xiàn)在我國(guó)建筑鋼材的類型、品種和鋼結(jié)構(gòu)的加工制造能力，建議盡可能采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土（柱）結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)，以減小柱斷面尺寸，并改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。在超過(guò)一定高度后，為減小風(fēng)振，鋼骨（鋼管）混凝土通常作為首選。采用格構(gòu)式的型鋼時(shí)，震害嚴(yán)重，采用實(shí)腹式的熱軋型鋼或焊接工字鋼的，則震害要減少許多。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，高層建筑首先要選擇合適的結(jié)構(gòu)體系，并針對(duì)具體情況加強(qiáng)設(shè)計(jì)質(zhì)量的控制，另外必須在滿足國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范要求的前提下，加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)地基設(shè)計(jì)，選擇合適的材料，才能提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量不斷提升，以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作做到更安全、更合理。