鋼筋混凝土高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計與思考

侯 小 紅

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原　030013)

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鋼筋混凝土高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計與思考

侯 小 紅

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原030013)

介紹了高層建筑結(jié)構(gòu)方案的選擇原則，闡述了高層建筑超限判定及結(jié)構(gòu)計算的方法，并從樓板應力集中、板裂縫、大跨度和長懸臂結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，分析了高層建筑設(shè)計中常見的問題，以供參考。

高層建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計，樓板，應力

0　引言

在社會發(fā)展的漫漫長河中，建筑技術(shù)的變革日新月異。而在各個不同的歷史時期，結(jié)構(gòu)技術(shù)在建筑發(fā)展中的作用十分重要，影響了建筑發(fā)展的歷史文化價值。近些年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展和人們物質(zhì)文化生活水平的不斷提高，現(xiàn)代建筑作為人們工作、生活的重要場所，不但要滿足實用性，更要具有地區(qū)性和多樣性的特征。這就對結(jié)構(gòu)設(shè)計人員提出了更高的要求。同時，隨著高層建筑的日益增多，不規(guī)則平面、建筑特殊的立面造型以及大空間的使用要求，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計無論在抗震構(gòu)件的布局、結(jié)構(gòu)分析、節(jié)點構(gòu)造方面都面臨著諸多挑戰(zhàn)和創(chuàng)新。而鋼筋混凝土高層建筑作為最常見的一種結(jié)構(gòu)形式，如何在滿足安全適用、經(jīng)濟合理的基本原則下優(yōu)化計算，精益求精是一個值得探討和思考的話題。

1　結(jié)構(gòu)方案的選擇

高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系，應根據(jù)建筑的不同使用功能、房屋荷載、層數(shù)、高度、跨度，同時考慮建筑物所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度，建筑工程抗震設(shè)計的設(shè)防類別和相應的抗震設(shè)防標準確定。目前高層建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)體系有框架、框架—剪力墻、剪力墻、框架—核心筒、底部帶有轉(zhuǎn)換的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)等。根據(jù)建筑專業(yè)提供的設(shè)計方案與技術(shù)條件，在盡量滿足使用功能的前提下，與建筑和設(shè)備專業(yè)充分溝通，仔細推敲，合理布置抗側(cè)力構(gòu)件，選擇適用的結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)具有合理的剛度和承載能力，避免產(chǎn)生軟弱層或薄弱層。隨著高層建筑的不斷增多，概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)方案的選擇與確定中的作用越來越重要。這就要求結(jié)構(gòu)工程師具有豐富的實踐經(jīng)驗，掌握相應的法律法規(guī)、施工技術(shù)，收集分析資料，對建筑工程進行宏觀控制，在特定的建筑空間中，用整體的概念完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計。結(jié)構(gòu)方案的選擇會直接影響到房屋的造價高低、施工的進展速度。

2　超限高層建筑界定

在高層建筑方案和初步設(shè)計階段，對超限類型的準確判別，是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)安全的前提條件。所以在拿到建筑方案的第一步，應該仔細研究現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍，針對不同方面對工程項目進行仔細核對，分析研究本結(jié)構(gòu)工程是否為超限工程。結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中，這一步至關(guān)重要，否則不但會耽誤設(shè)計工期，還會對結(jié)構(gòu)安全造成嚴重影響。

判斷超限高層建筑工程主要有以下幾個方面：

1)對于不同抗震設(shè)防烈度、不同結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)體系，規(guī)范規(guī)定了房屋的最大適用高度，超過此高度則屬超限。這一類超限判別時應注意，平面和豎向均不規(guī)則的，適用高度宜適當降低，同時應考慮房屋的抗震設(shè)防類別。

2)房屋高度在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，但建筑結(jié)構(gòu)布置屬于特別不規(guī)則的高層建筑：

a.扭轉(zhuǎn)不規(guī)則或抗扭剛度弱?？紤]偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.4(扭轉(zhuǎn)偏大)或大于1.2(扭轉(zhuǎn)不規(guī)則)，扭轉(zhuǎn)周期比大于0.9(B級高度)或大于0.8(A級高度)。

b.平面不規(guī)則。平面凹凸尺寸與相應尺寸比值超限，細腰形或角部重疊形。

c.豎向不規(guī)則。豎向構(gòu)件收進尺寸過大或外挑尺寸大于限值要求。

d.樓板不連續(xù)。樓板開洞面積過大，有效樓板寬度過小或樓板錯層大于梁高。

e.局部的穿層柱、斜柱、夾層，個別構(gòu)件錯層或轉(zhuǎn)換。

3)特殊類型的高層建筑：

a.加層結(jié)構(gòu)。加層部分的結(jié)構(gòu)與原主體結(jié)構(gòu)形式不同。

b.采用新型結(jié)構(gòu)材料或新型抗震體系。

c.規(guī)范中未列入的其他高層建筑結(jié)構(gòu)，特殊形式的大型公共建筑及懸挑結(jié)構(gòu)，特大跨度的連體結(jié)構(gòu)等。

3　結(jié)構(gòu)計算及變形分析

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于高度小于40 m，且質(zhì)量、剛度沿高度分布比較均勻，以剪切變形為主的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法進行簡化計算。先確定結(jié)構(gòu)總地震力，然后按照高度呈倒三角形分布特征進行各樓層分配，同時在頂部增加附加集中力，考慮頂部鞭梢效應。

隨著反應譜理論的不斷成熟，大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)體系采用振型分解反應譜法進行計算?？紤]不同振型在地震反應中的參與程度，先確定在各質(zhì)點的水平地震作用標準值，再綜合計算整體水平地震作用效應；同時考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響，確定各振型在兩水平方向和轉(zhuǎn)角方向的地震作用標準值。

同時，對于特別不規(guī)則的建筑、甲類建筑和一些特殊高度的高層建筑，采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算。根據(jù)時程分析和振型分解反應譜法的不同結(jié)果，對比分析后進行包絡(luò)設(shè)計。

結(jié)構(gòu)抗震變形驗算分兩階段進行：第一階段是多遇地震下的承載力驗算，主體結(jié)構(gòu)不受損，保證建筑物正常使用功能。此階段以彈性變形為主，保證結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不開裂或開裂不明顯；第二階段是罕遇地震作用下建筑主體結(jié)構(gòu)遭遇破壞，但不倒塌。此階段以彈塑性變形為主，根據(jù)震害經(jīng)驗和實驗分析提出了極限變形時的層間極限位移角，防止薄弱層彈塑性變形過大引起結(jié)構(gòu)倒塌。

4　高層建筑設(shè)計中常見問題解析

4.1樓板應力集中問題

建筑結(jié)構(gòu)中樓板作為水平抗側(cè)力體系，在承受和傳遞豎向力作用的同時，把水平力傳遞和分配給豎向抗側(cè)力構(gòu)件，協(xié)調(diào)同一樓層中豎向構(gòu)件的變形，使建筑物形成一個完整的抗側(cè)力體系。建筑平面布置中，由于存在凹凸布置，樓板尺寸和剛度的急劇變化都可能在角點局部位置及樓層凹角處產(chǎn)生應力集中。結(jié)構(gòu)設(shè)計中應當提高此區(qū)域剛度，適當增加樓板厚度及配筋率，樓板配筋雙層雙向拉通布置。

4.2板裂縫及撓度問題

近年來高層建筑設(shè)計中，由于使用功能的要求，大跨度板越來越多。同時隨著地板采暖的不斷普及，上部荷載增加，對板裂縫和撓度要求日益提高。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，雖然現(xiàn)澆板承載力均能滿足要求，但是使用中大跨度板往往是由裂縫和撓度控制，所以，在設(shè)計中應注意對大跨度板的變形驗算。滿足強度計算的情況下盡量采用中低強度混凝土，在易裂的邊緣部位設(shè)置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限拉伸，同時在屋面板頂部增設(shè)溫度鋼筋。

4.3大跨度和長懸臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計

抗震設(shè)防烈度8度、9度時的大跨度和長懸臂結(jié)構(gòu)應計算豎向地震作用。由于大跨度、長懸臂結(jié)構(gòu)對豎向地震較為敏感，僅僅考慮水平地震作用存在一定的安全隱患。所以，在設(shè)計中應引起足夠的重視，盡量選用高強度混凝土，增大配筋率，嚴格控制構(gòu)件裂縫和撓度。在滿足使用功能的前提下，可采用勁性混凝土和輕鋼結(jié)構(gòu)，并加強周邊的連接構(gòu)造，有效提高整體結(jié)構(gòu)的承載力和延性。

5　結(jié)語

鋼筋混凝土高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項復雜、系統(tǒng)的工程。工程設(shè)計人員要嚴把規(guī)范、規(guī)程，并深刻理解，同時要靈活運用，善于創(chuàng)新，在工作中精益求精，不斷總結(jié)和反思，使建筑工程達到安全適用、經(jīng)濟合理，實現(xiàn)房屋建筑工程的科學化發(fā)展。

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]建質(zhì)[2015]67號，超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點[S].

Structural design and consideration of steel reinforced concrete high-rise building

Hou Xiaohong

(ShanxiAcademyofBuildingDesign,Taiyuan030013,China)

The paper introduces high-rise building structure scheme selecting principles, describes high-rise building transfinite judgement and structural calculation methods, and analyzes common high-rise building design problems from aspects of floor stress concentration, slab cracks and large-span and long-cantilever structure design, with a view to provide some guidance.

high-rise building, structural design, floor, stress

1009-6825(2016)23-0036-02

2016-06-07

侯小紅(1973- ),男，碩士，高級工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU973

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