關(guān)于鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計要點的探析

何雄杰

摘要：隨著城市進(jìn)程加快土地資源的緊缺導(dǎo)致建筑建設(shè)成本大大提高，以及人們對高大上建筑的追求，使的高層建筑得以快速發(fā)展。城市里高樓遍地林立，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也因此成為我們結(jié)構(gòu)設(shè)計師們必備的一項技能。根據(jù)我多年高層結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗給那些即將進(jìn)行高層設(shè)計的工程師們一些意見和建議。

關(guān)鍵詞：高層建筑；鋼筋混凝；結(jié)構(gòu)設(shè)計

前言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，注重結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，采取合理的計算模型對關(guān)鍵部位和重要問題采取針對性措施，減少設(shè)計過程中的遺漏或錯誤。不斷地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終實現(xiàn)安全、適用、經(jīng)濟(jì)和耐久的目的。

1 鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)狀

1.1 地基穩(wěn)定性不足

高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，受到地基穩(wěn)定性不足的影響，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)缺陷，始終無法達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。地基對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的影響，主要體現(xiàn)在兩方面：（1）地基承載不足，高層建筑的地基無法承受鋼筋混凝土的重量，容易出現(xiàn)沉降、偏移；（2）地基受力分配不平衡，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于風(fēng)險狀態(tài)中，直接影響高層建筑的內(nèi)部受力，毀壞鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)。

1.2 框架結(jié)構(gòu)不全面

鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)無法在高層建筑中起到支撐作用，部分框架結(jié)構(gòu)點存在質(zhì)量缺陷。例如：某高層建筑在框架結(jié)構(gòu)方面，缺乏角度、橫梁控制，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計無法達(dá)到配合狀態(tài)，滿足不了該建筑的結(jié)構(gòu)需求，最終該框架結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計，既消耗人力、物力，又影響到高層建筑的成本控制。

1.3 預(yù)應(yīng)力分配不均勻

預(yù)應(yīng)力問題在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中比較常見，基本是由結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)、受力等因素引起，干擾鋼筋混凝土的受力分析，無法標(biāo)準(zhǔn)分配預(yù)應(yīng)力。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的預(yù)應(yīng)力問題，需借助科學(xué)計算和專業(yè)的分配，才可達(dá)到平衡分配的狀態(tài)。

2 鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

2.1 安全性原則

我們?yōu)楹我M(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計？結(jié)構(gòu)設(shè)計的就是：“一要安全、二要節(jié)約資源控制造價”，其中首要的也是最根本的目的就是安全，一個不安全的結(jié)構(gòu)沒有任何價值。鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計要以安全為前提，要以安全為首要任務(wù)，這就不僅要求我們設(shè)計圖紙要滿足各項設(shè)計規(guī)范、規(guī)程，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計安全無誤，還要求便于安全施工，施工單位能夠順利安全的編制施工方案，順利安全的完成施工。如果設(shè)計要求根據(jù)現(xiàn)有的施工技術(shù)達(dá)不到或存在較大的施工安全性，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案就要調(diào)整否則最后只能徒勞無果。

2.2 適用性原則

我們建設(shè)高層建筑的最終目標(biāo)就是要使用它的功能，雖然這主要是建筑專業(yè)的事，我們結(jié)構(gòu)設(shè)計也要遵循使用性原則。我認(rèn)為具體牽涉到結(jié)構(gòu)選型，梁柱布置。比如建筑專業(yè)需要大空間我們就不能布置小柱網(wǎng)，墻柱不能落地我們就要設(shè)置轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，總之結(jié)構(gòu)布置不能影響建筑功能，保證建筑建成后具備良好的使用功能，不至于花費大量人力物力財力建造的建筑中看不中用。

2.3 可靠性原則

任何材料都有它的使用壽命，這就使得我們建筑結(jié)構(gòu)也有設(shè)計使用年限。使用年限有5年到100年不等，設(shè)計時根據(jù)結(jié)構(gòu)用途和重要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計。臨時建筑一般只有幾年，一般建筑50年，非常重要建筑100年。結(jié)構(gòu)設(shè)計要根據(jù)不同設(shè)計年限采用不同設(shè)計要求。對于超過設(shè)計年限的建筑我們是不是就要報廢呢？當(dāng)然不是，在國外經(jīng)?？吹匠^100年的建筑還在正常使用，因此在對建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時要堅持可靠性原則，對所使用的材料和技術(shù)要成熟耐久可靠。我們設(shè)計的建筑一般均為50年，但是有的現(xiàn)在才30多年就出現(xiàn)垮塌，這樣事故報道屢見不宣了，當(dāng)然原因很多，其中就有忽視材料耐久性可靠性這一條。

3 鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)選型

鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式：框架、框架-剪力墻、剪力墻、筒體、板柱-剪力墻。對于每種結(jié)構(gòu)形式適用高度高層規(guī)范上都有明確規(guī)定，在工程設(shè)計的結(jié)構(gòu)選型階段，我們不僅要根據(jù)建筑高度選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，還應(yīng)該注意以下幾點綜合考慮：

3.1 建筑使用功能

建筑一般為工業(yè)和民用之分。工業(yè)高層很少，使用上需要大空間一般都用框架結(jié)構(gòu)或框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。民用有住宅、辦公、商業(yè)之分、住宅一般平面不規(guī)則用剪力墻結(jié)構(gòu)較多，也有框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。辦公和商業(yè)一般用框架和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，如果高度較高可采用筒體結(jié)構(gòu)。

3.2 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題

規(guī)范在這方面的內(nèi)容規(guī)定比較詳細(xì)，主要是指平面布置和豎向布置，具體規(guī)定高層規(guī)范和抗震規(guī)范均有詳細(xì)規(guī)定。我們在設(shè)計時盡量出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，往往建筑布置就是不規(guī)則無法避免，這樣就會出現(xiàn)原定計劃用框架結(jié)構(gòu)的計算無法通過，這時就要采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)減少超限數(shù)。無論高規(guī)還是抗規(guī)都采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定，建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案。如果建筑達(dá)到特別不規(guī)則要報建設(shè)部專門審查。因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，盡量減少不規(guī)則程度選擇更合適結(jié)構(gòu)形式。

3.3 結(jié)構(gòu)的超高問題

在抗震規(guī)范與高規(guī)中對結(jié)構(gòu)的總高度都有明確的規(guī)定，鋼筋混凝土高層規(guī)范將建筑限制高度設(shè)定為A級和B級，必須對結(jié)構(gòu)的該項控制因素嚴(yán)格注意，雖然A級限高比B級嚴(yán)格，設(shè)計時盡量遵守A級要求，一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設(shè)計方法和處理措施有較大的變化。在實際工程設(shè)計中可能就會出現(xiàn)高度達(dá)到B級了，設(shè)計方法和構(gòu)造要求還是按A級處理的，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全，施工圖審查時未通過必須重新進(jìn)行設(shè)計或需申請專項審查論證等工作的情況，規(guī)范規(guī)定的最低構(gòu)造措施要求往往都是針對A級的設(shè)計時結(jié)構(gòu)高度盡量按A級要求。

3.4 剪力墻的設(shè)置問題

規(guī)范規(guī)定墻肢長度大于8倍墻厚為長肢墻即一般墻，墻肢長與墻厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，墻肢長與墻厚比小于5為超短肢墻。根據(jù)建設(shè)單位實際工程反饋，短肢剪力墻與一般剪力墻混凝土用量和鋼筋總用量相差不大。但是規(guī)范卻對短肢剪力墻在高層建筑中的使用范圍以及配筋加強(qiáng)措施都有嚴(yán)格要求，因此在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻，禁止使用超短肢剪力墻，以避免結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮不周降低結(jié)構(gòu)安全性。

4 鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)計算與分析

在結(jié)構(gòu)計算與分析階段，首先要準(zhǔn)確高效地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計算分析，采用準(zhǔn)確無誤的計算結(jié)果才能進(jìn)行下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計?，F(xiàn)在計算軟件非常成熟和方便，只會用軟件并不能設(shè)計出一個好的結(jié)構(gòu)，也不是一名好的結(jié)構(gòu)工程師。

4.1 整體結(jié)構(gòu)計算的軟件

現(xiàn)在市場上結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件主要有兩種：南方以廣廈為主，北方以PKPM為主。計算理論有的采用有限元計算理論有的采用桿件體系理論計算，而且軟件程序又不是同一批人編的這就出現(xiàn)同一個工程計算結(jié)構(gòu)不盡相同。在進(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)計算和分析時必須根據(jù)每個工程具體特點和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件，高層結(jié)構(gòu)計算建議采用兩種及兩種以上軟件計算。通過對兩種計算結(jié)果比較，找出比較符合實際的作為設(shè)計依據(jù)，這是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計工作中首要的工作也是最為重要的工作。必要時應(yīng)讓設(shè)計經(jīng)驗豐富的老專家看過沒問題后再繪制施工圖，否則，如果選擇了不準(zhǔn)確的計算結(jié)果，不但會浪費大量的時間和精力，還有可能使結(jié)構(gòu)有不安全的隱患存在。

4.2 是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對自振周期的影響

該部分內(nèi)容實際上在規(guī)范中都有提及，而且明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計算自振周期折減系數(shù)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)0.6～0.7，框架一剪力墻0.7～0.8，剪力墻0.8～0.9，計算時不要用錯。

4.3 振型數(shù)目是否足夠

在規(guī)范中有一個振型參與系數(shù)的概念，并明確提出了該參數(shù)的限值。也并不是振型數(shù)越多越好，一般為樓層數(shù)3倍，太多反而會出現(xiàn)計算異常。因此，在計算分析階段必須對計算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行判斷，并決定是否要調(diào)整振型數(shù)目的取值。

4.4 多塔結(jié)構(gòu)如何計算

現(xiàn)在大底盤，多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn)，特別是下面商業(yè)上面做住宅的連體結(jié)構(gòu)大多數(shù)都是大底盤連體結(jié)構(gòu)。在計算分析該類型高層建筑時，是將結(jié)構(gòu)作為一個整體并按多塔類型進(jìn)行計算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開單獨進(jìn)行計算，計算時總感覺不論是整體計算還是單獨計算都不太準(zhǔn)確不是最不利情況對計算結(jié)果心里沒底。如果多塔間剛度相差較大，就有可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求，但是對某一座塔樓地震力計算誤差仍然有可能較大，從而使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全隱患。遇到這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)建議建兩種模型一種是整體建模按多塔計算，另一種每個單塔分開建模計算，取兩者較大值設(shè)計。

5 結(jié)語

總而言之，鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)改善了傳統(tǒng)混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的很多缺點，有效地提高了高層建筑的抗拉能力、抗壓能力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此一個穩(wěn)定、科學(xué)的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)對于整個高層建筑工程的安全性和穩(wěn)定性有著重要的影響。