高層結構設計中若干問題的思考

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，建筑行業(yè)發(fā)展突飛猛進，為節(jié)約土地資源，高層建筑工數(shù)量越來越多，大體量、超高層單體建筑或群體建筑大量的出現(xiàn)，對工程設計人員的專業(yè)知識的要求越來越高，不僅要正確的理解規(guī)范內(nèi)容，更要掌握好結構計算軟件的計算原理，因此，在文章主要對高層結構設計中的關鍵問題進行探討，以引起工程設計人員的重視。

關鍵詞：高層結構；嵌固端；地下室剪力墻；結構計算

1 高層建筑大底盤地下室及多塔建筑對高層主體結構嵌固端的影響

現(xiàn)代建筑綜合功能越來越復雜，為了達到一個較好的使用功效及工程性價比指標，一般均在建筑物底部及附帶一部分區(qū)域來設置地下室，由于各種功能的需要，形成上部主體結構與周邊地下室形成整體結構，在設計中不僅要關注主體結構對附屬地下室影響，更要注意附屬地下室對高層影響。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011-2010，對于6.1.3條2款對高層裙房的要求，“裙房與主樓相連，除應按裙房本身確定抗震等級外，相關范圍不應低于主樓的抗震等級，裙房與主樓相連的相關范圍”，對于相關范圍的解釋在規(guī)范條文里指出，一般可從主樓周邊外延3跨且不小于20m，相關范圍以外的區(qū)域可按裙房自身的結構類型確定其抗震等級。因此，對于主體結構嵌固端以上附帶地下室部分，也應該按這一條執(zhí)行，在結構計算中需要單獨定義相關范圍內(nèi)構件的抗震等級，現(xiàn)行軟件不能自動識別，在施工圖部分中需要單獨注明相關范圍的構件，便于施工單位施工時按相關抗震構造措施施工。在對于有附屬地下室主體結構確定嵌固端位置時，《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011-2010，6.1.14條2款有相關要求“結構地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍”。《高規(guī)》5.3.7條規(guī)定“高層建筑結構整體計算中，當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y構嵌固部位時，地下一層與首層側(cè)向剛度比不宜小于2”。對于規(guī)范中關于“相關范圍”一般可從地上結構（主樓、有裙房時含裙房）周邊外延不大于20m，因此，在實際工程設計當中應該注意，在整體計算模型時，在確定主體結構嵌固端是否滿足嵌固要求時，可以將“相關范圍”從整體模型中拆分出來，以判斷主樓的嵌固端位置是否滿足規(guī)范要求，如圖1所示。如果上部主樓結構與附屬的地下室整體計算，按照整體計算所得的結果判斷主樓的嵌固端，造成嵌固端滿足規(guī)范的假象，這對上部結構及附屬地下室偏于不安全的。因?qū)嶋H工程的復雜性以及當?shù)叵率沂┕ね戤吅?，其周圍的基槽的回填土是夯實質(zhì)量大多數(shù)得不到保證，往往是松散狀態(tài)，地基回填土并非完全約束了地下室的側(cè)移和轉(zhuǎn)角。所以在對實際工程的具體分析時，應充分考慮不利因素，選取合理真實的結構計算模型。同時對于大底盤的多塔建筑來說，當?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y構的嵌固端時，大底盤結構中多塔在進行結構抗震設計時，當嵌固端位置在地下室頂板處時，確定嵌固端位置時，按單塔模型附帶“相關范圍”進行分析計算。而當嵌固端位于基礎頂面時，則宜將塔樓和大底盤共同進行計算分析，以便符合實際情況。

因此對于高層含附屬地下室及大底盤多塔樓建筑的工程在確定嵌固位置是一個很重要的問題，涉及到高層計算中剛度比等重要指標的控制，以及抗震構造措施的確定等問題。因此，嵌固端的理解及嵌固部位的合理選取對結構設計時具有非常重要的實踐意義。

2 高層建筑地下室剪力墻設計中注意的相關問題

根據(jù)《高規(guī)》3.9.5條“抗震設計的高層建筑，當?shù)叵率翼攲幼鳛樯喜拷Y構的嵌固端時，地下一層相關范圍的抗震等級應按上部結構采用，地下一層以下抗震構造措施的抗震等級可逐層降低一級，但不應低于四級；地下室中超出上部主樓相關范圍且無上部結構的部分，其抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級”。由于計算軟件在結構計算中，不能自動按本條執(zhí)行，需要設計人員，在設計過程中單獨定義地下一層以下抗震構造措施的抗震等級，這樣在滿足規(guī)范要求的前提下優(yōu)化地下室部分鋼筋用量，主要表現(xiàn)在框架結構及剪力墻部分鋼筋錨固長度的變小，框架柱、剪力墻軸壓比限制的減小，直接影響是截面大小的減小，混凝土用量減少。

地下室外墻作為結構構件設計時，因其計算簡圖中邊界約束條件的定義粗略程度以及墻體平面外荷載取值的近似性，還有對墻體構造措施處理的強弱等因素均會造成設計與墻體實際受力狀態(tài)誤差偏大。地下室外墻在土壓力作用下不會發(fā)生整體側(cè)移，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，外墻承受的土壓力為靜止土壓力，而不是被動土壓力，一般情況下靜止土壓力系數(shù)取值：對砂類土0.35～0.45，對黏性土0.5～0.7。當?shù)叵率沂┕げ捎么箝_挖形式，沒有做坑壁支護結構時，靜止土壓力一般取0.5，但當考慮坑壁支護結構與外墻共同作用時，靜止土壓力系數(shù)乘以0.66來計算，土壓力計算時地下水位以上取土的重度，地下水位以下時取土的浮重度。地下室外墻計算中可以近似按單向板計算，即取頂板、底板為外墻的支承點，取單位寬度的外墻視地下室的層數(shù)按單跨或多跨連續(xù)板進行計算，外墻的支承條件按外墻與周邊構件的剛度比確定，當外墻剛度相對于與之相連周邊構件的剛度較大時，按簡支考慮，當剛度較小時按固結考慮。當外墻兩側(cè)存在翼墻或線剛度較大的扶壁框架柱，且翼墻或扶壁柱間距不大于層高的兩倍時，外墻按雙向板計算。一般外墻按底部固結，頂部視情況為簡支、固結或半固結的壓彎構件進行設計，當計算時忽略翼墻或扶壁框架柱對外墻約束的有利因素時，則外墻計算結果將會偏大。

3 高層建筑應進行必要的結構計算分析

對于高層建筑建筑應進行抗震設防三個水準目標，即“小震不壞”、“中震可修”、“大震不倒”，一般情況下（不是所有情況下），遭遇第一水準烈度——眾值烈度（多遇地震）影響時，建筑處于正常使用狀態(tài)，從結構抗震分析角度，可以視為彈性體系，采用彈性反應譜進行彈性分析，一般采用底部剪力法、反應譜法、彈性時程分析方法；遭遇第二水準烈度——基本烈度（設防地震）影響時，結構進入非彈性工作階段，但非彈性變形或結構體系的損壞控制在可修復的范圍，遭遇第三水準烈度——最大預估烈度（罕遇地震）影響時，結構有較大的非彈性變形，但應控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以免倒塌，一般采用靜力彈塑性分析（PUHSOVER），動力彈塑性分析，在具體工程上是采用動力彈塑性還是靜力彈塑性，《高規(guī)》3.11.4條有具體規(guī)定“ 高度不超過150m的高層建筑可采用靜力彈塑性分析方法；高度超過200m時，應采用彈塑性時程分析法；高度在150m～200m之間，可視結構自振特性和不規(guī)則程度選擇靜力彈塑性方法或彈塑性時程分析方法。高度超過300m的結構，應有兩個獨立的計算，進行校核”。因此對于不同的工程采取不同的計算模型，以達到“大震不倒”的抗震設防目標。靜力彈塑性與動力彈塑性不同點詳見下表：

靜力彈塑性分析（PUHSOVER）方法是對結構在罕遇地震作用下進行彈塑性變形分析的一種簡化方法。通過逐漸加大預先設定的荷載直到最大控制點位置，獲得荷載-位移能力曲線。經(jīng)過靜力彈塑性分析（PUHSOVER），得到性能點，根據(jù)性能點時的變形，主要進行以下四個方面的評價：（1）頂點位移是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性頂點位移限值，最大位移一般為建筑總高度X彈塑性層間位移角限值（《高規(guī)》4.6.5條）；（2）層間位移角是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值，具體見《高規(guī)》4.6.5條；（3）底層剪力是否滿足反應譜基底剪力的3～5倍；（4）構件的局部變形（梁柱等）塑性鉸的變形，檢驗它是否超過建筑某一性能水準下的允許變形。

鋼筋混凝土結構的動力彈塑性分析是一個高度非線性問題，包括三個方面的非線性：（1）材料非線性；（2）幾何非線性；（3）邊界非線性（狀態(tài)非線性）。整個分析過程數(shù)據(jù)龐大，涉及到的方面包括靜力彈性計算的建模、計算、設計、施工圖；動力計算包括：地震波，動力方程的數(shù)值積分，阻尼等，在工程設計中應該關注結構的抗大震性能以及如何實現(xiàn)和把握結構的性能。一般規(guī)則的結構，在大震強度的震震波激勵下，計算均能順利計算完成，層間位移角不會超過規(guī)范要求，構件也不會出現(xiàn)過大的損害或者變形。

4 結語

綜上所述，高層建筑隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展逐年增多，做為結構設計工作者，應該注重結構概念設計，本文主要從高層主體結構嵌固端合理確定、高層建筑地下室剪力墻、結構計算分析等幾個方面論述了在結構設計中注意的問題，由于具體項目的復雜性、特殊性，結構設計設計人員實際工作注意的方面很多，在設計中注重工程設計的關鍵環(huán)節(jié)，掌握好計算軟件技術原理，提升建筑結構的安全性、經(jīng)濟合理性。

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作者簡介：善忠海（1982- ），男，工程師，本科，從事建筑結構設計工作。