高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策探討

張 雷/承德市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

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高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策探討

張 雷/承德市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

【摘 要】隨著我國(guó)高層建筑的不斷發(fā)展，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高。本文分析了高層建筑的結(jié)構(gòu)特征，并重點(diǎn)分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題及對(duì)策，可以為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；嵌固端；超高；剪力墻

一、高層建筑結(jié)構(gòu)的特征

高層建筑結(jié)構(gòu)不但承受著由于外界的風(fēng)產(chǎn)生的水平方向的荷載，同時(shí)也承受著在垂直方向的荷載，并且對(duì)于地震的抵抗能力也有要求。一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)受到低層建筑結(jié)構(gòu)水平方向上的影響比較弱，然而在高層建筑中，外界地震的影響和外界風(fēng)產(chǎn)生的水平方向的荷載影響是主要的影響因素。隨著建筑物高度的增加，高層建筑的位移增加較快，但是高層建筑過(guò)大的側(cè)移不但影響人的舒適度，同時(shí)使得建筑物的使用受到影響，并且容易損壞結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。基于此，在設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，要控制側(cè)移在規(guī)定的范圍之內(nèi)，所以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

（一）短肢剪力墻設(shè)置存在問(wèn)題

當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，其中的一些問(wèn)題會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的損害，甚至是致命的，其中最為典型的當(dāng)屬短肢剪力墻的不合理設(shè)置。有很多高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程都出現(xiàn)過(guò)增設(shè)短肢剪力墻的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的發(fā)生導(dǎo)致高層建筑在后續(xù)的使用過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性大打折扣，整個(gè)高層建筑的斷肢剪力墻的抗震能力都會(huì)受到影響，因此高層建筑的后期的長(zhǎng)時(shí)期使用過(guò)程中將會(huì)存在安全隱患。

（二）嵌固端設(shè)置存在問(wèn)題

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，嵌固端在工程結(jié)構(gòu)中扮演著非常重要的角色，因此嵌固端的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的，當(dāng)前嵌固端的設(shè)計(jì)主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

一是嵌固端位置選擇問(wèn)題，一些高層建筑在嵌固端位置選擇方面存在著較大的問(wèn)題，尤其是一些高層建筑將其選擇在地下室或者人防頂板處，這種設(shè)計(jì)模式及其的不科學(xué)，存在重大安全隱患，對(duì)于其效果的發(fā)揮是極為不利的；二是嵌固端上下層剛度設(shè)計(jì)的比例大小不夠合理，上下層剛度比例大小是嵌固端設(shè)計(jì)是否合理的一項(xiàng)重要因素，當(dāng)前的一些嵌固端設(shè)計(jì)中存在著較大的計(jì)算誤差或者其他設(shè)計(jì)問(wèn)題；三是嵌固端的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一個(gè)比較棘手的問(wèn)題是同抗震縫隙的處理存在較大的難度，彼此之間很難協(xié)調(diào)，這個(gè)問(wèn)題勢(shì)必會(huì)引起整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠性。

（三）超高問(wèn)題

超高也是當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所面臨的一個(gè)非常棘手的問(wèn)題，所謂的超高問(wèn)題指的是一些高層建筑建設(shè)單位基于經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)的考慮，無(wú)視相關(guān)的文件制度以及設(shè)計(jì)規(guī)范，人為地增加高層建筑高度。但站在另一個(gè)角度考慮，這種做法違反了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，使得高層建筑的穩(wěn)定性和抗震能力有所下降，一旦遭遇地震、強(qiáng)風(fēng)天氣或者其他自然災(zāi)害，就極易發(fā)生危險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌或者斷裂。

三、高層建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決對(duì)策

（一）選擇合理的高層建筑結(jié)構(gòu)方案。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案必須滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性的要求，并且要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系的要求。結(jié)構(gòu)體系的要求是受力明確，傳力簡(jiǎn)單。在相同的結(jié)構(gòu)單元當(dāng)中，應(yīng)該選擇相同結(jié)構(gòu)體系，如果高層建筑處于地震區(qū)，那么應(yīng)力需要平面和豎向的規(guī)則。在進(jìn)行了地理?xiàng)l件，工程設(shè)計(jì)需求，施工條件，材料等的綜合分析的基礎(chǔ)上，并和建筑包括水，暖，電等各個(gè)專(zhuān)業(yè)的相協(xié)調(diào)的情況下，選擇合理的結(jié)構(gòu)，從而確定結(jié)構(gòu)的方案。

（二）剪力墻的優(yōu)化。在其它建筑中，原來(lái)框架結(jié)構(gòu)中起承受水平和豎直兩個(gè)方向的力的構(gòu)件是梁柱，而在高層建筑中取代梁柱來(lái)承受水平和豎直兩個(gè)方向的力的是剪力墻體系結(jié)構(gòu)。剪力墻體系結(jié)構(gòu)是一種混凝土材質(zhì)的土墻結(jié)構(gòu)，不僅可以直接承受水平和豎直的力，對(duì)于其它結(jié)構(gòu)的水平載荷也可以起到調(diào)節(jié)作用。因此，不斷優(yōu)化剪力墻的結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)度和安全性都有著巨大的影響。在進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化的時(shí)候，需要注意剪力墻設(shè)計(jì)中的連梁的設(shè)計(jì)是很重要的一部分。高層建筑設(shè)計(jì)人員可以把連梁之間的各個(gè)墻體連接起來(lái)而形成聯(lián)肢墻。這種設(shè)計(jì)可以使得墻肢的約束條件增加，從而使墻體的各個(gè)部分都得到了更多的內(nèi)力，十分有效的提高高層建筑的抗震能力。但是這種做法的缺點(diǎn)在于對(duì)于投資商來(lái)說(shuō)造成了不必要的浪費(fèi)，然而對(duì)于整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性來(lái)說(shuō)絕對(duì)是利大于弊的。

（三）平面及立面的選擇。在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，“三心合一”是一個(gè)重要的概念。“三心合一”指的是高層建筑整體的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心盡可能地在空間中交匯于一個(gè)點(diǎn)。如果不能在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中做到“三心合一”，那么整個(gè)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。扭轉(zhuǎn)問(wèn)題會(huì)在風(fēng)載等水平載荷的作用下對(duì)高層建筑的相應(yīng)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重危害，繼而影響到整個(gè)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了防止扭轉(zhuǎn)問(wèn)題對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的危害，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能的使高層建筑整體達(dá)到“三心合一”的狀態(tài)，要選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局。因此，在選擇平面和立面形式的時(shí)候，對(duì)高層建筑的平面要選擇比較簡(jiǎn)單的形式，便于設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)的時(shí)候條理清晰、不易混淆。大量的資料表明，對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，更容易在地震中保持安全，因此，選高層建筑的平面形式時(shí)要多選結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線條規(guī)則、更加對(duì)稱(chēng)的平面形式。

（四）高層建筑結(jié)構(gòu)存在著超高的問(wèn)題。基于高層建筑抗震的要求，我國(guó)的建筑規(guī)范對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)的高度有嚴(yán)格的規(guī)定，針對(duì)高層建筑的超高問(wèn)題，在新規(guī)范中不但把原來(lái)限制的高度規(guī)定為A級(jí)高度，并且增加了B級(jí)高度，使得高層建筑結(jié)構(gòu)處理設(shè)計(jì)方法和措施都有了改進(jìn)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型的改變對(duì)高層超高問(wèn)題的忽略，在施工審圖時(shí)將不予通過(guò)，應(yīng)該重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或者進(jìn)行專(zhuān)家會(huì)議的論證等。在這種情況下，整個(gè)建筑工程的造價(jià)和工期都會(huì)受到極大的影響。

（五）高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的選擇。在對(duì)高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候首先要進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，而結(jié)構(gòu)計(jì)算一般需要選擇一種計(jì)算簡(jiǎn)圖，在選擇的計(jì)算簡(jiǎn)圖上進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算。如果在一開(kāi)始的時(shí)候就選擇了不合理的簡(jiǎn)圖，那么在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候就容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理的問(wèn)題。因此，如果能在一開(kāi)始就選擇了一個(gè)合理的高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖，那么對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)是一個(gè)重要的保障，同樣的，合適的構(gòu)造方法應(yīng)該和相應(yīng)的計(jì)算簡(jiǎn)圖的方法匹配。重要的是，在實(shí)際高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)算簡(jiǎn)圖的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)不應(yīng)只是鋼節(jié)點(diǎn)或者鉸節(jié)點(diǎn)，需要保證計(jì)算簡(jiǎn)圖的誤差在相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定范圍內(nèi)。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上，當(dāng)前我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，高層建筑項(xiàng)目工程越來(lái)越多，施工難度越來(lái)越大，因此高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須盡職盡責(zé)，切實(shí)采取科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，為高層建筑結(jié)構(gòu)提供安全保障，只有這樣才能保障工程項(xiàng)目在竣工后投入使用的過(guò)程中的安全性。

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