淺析高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高山棚++劉春曉

【摘要】隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，高層建筑已成為城市建設(shè)中的重要組成部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作亦是重中之重。本文就某高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面進(jìn)行一些簡單的分析，并加以總結(jié)，以供類似工程設(shè)計(jì)參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)體會(huì)；安全問題

1. 引言

一棟建筑物的結(jié)構(gòu)是否合理設(shè)計(jì)，這都直接關(guān)乎到建筑物的安全、適用、經(jīng)濟(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)一棟建筑物，涉及的專業(yè)有建筑，結(jié)構(gòu)，設(shè)備等。相對(duì)其他專業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)繁重且責(zé)任重的工作。但在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，常常發(fā)生對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念理解和方法運(yùn)用上的差錯(cuò)。為了避免或減少類似情況發(fā)生，有必要對(duì)這些差錯(cuò)進(jìn)行深入思考并進(jìn)行小結(jié)。

2. 工程概況

某高層建筑其建筑面積38650m2，其中地上部分28578m2，地下部分9872m2。本工程地面以下平面形狀為長方形，有2層。本工程地面以上13層，高度為60.2m，1～3層為餐廳和機(jī)房，4層以上為辦公室。

3. 工程地質(zhì)情況

本建筑所在場地地形平坦，表層為人工填土，其下為一般第四紀(jì)沖洪積沉積土層，土層在水平與垂直方向分布比較穩(wěn)定。本建筑基底置于層粉質(zhì)黏土，建筑抗震設(shè)防重要性分類為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為8度，Ⅲ類場地土，基本風(fēng)壓0.45kN/m2。

4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)。

（1）本建筑主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，剪力墻抗震等級(jí)一級(jí)，框架抗震等級(jí)二級(jí)。結(jié)合建筑使用功能，作為主要抗側(cè)力構(gòu)件的剪力墻布置在建筑中部，并形成筒體，筒體周圍設(shè)框架柱。因受層高及使用功能的限制，地上部分樓層主次梁均沿Y向布置，以便減小主梁高度，增加使用凈高，標(biāo)準(zhǔn)層樓板厚110mm。本工程結(jié)構(gòu)嵌固端位于地下室頂板，考慮其承受并傳遞由地震作用產(chǎn)生的水平力，故其板厚為180mm，板配筋雙層雙向滿布。主要豎向構(gòu)件截面變化見表1，混凝土強(qiáng)度等級(jí)見表2。

（2）本建筑結(jié)構(gòu)采用中國建筑科學(xué)研究院編制的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件 SATWE（墻元模型）和建研科技股份有限公司編制的多層及高層建筑三維空間分析軟件系統(tǒng)TBSA進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果比較合理并符合現(xiàn)行規(guī)范要求，有關(guān)結(jié)構(gòu)位移和地震力等電算結(jié)果見表3～5。

4.2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。 本工程根據(jù)地質(zhì)情況通過對(duì)地基承載力的計(jì)算，決定采用梁板式筏形基礎(chǔ)。Y 向基礎(chǔ)梁尺寸為1800×2000，1000×2000，X向基礎(chǔ)梁尺寸為900×1800。因筒體內(nèi)電梯基坑及集水井局部下降的影響，主梁不能正常貫通，并且筒體部位豎向荷載較大，故筒體部位四周2m范圍內(nèi)板厚1.5m，其余部位板厚1.0m。基礎(chǔ)計(jì)算采用建研院編制的彈性地基梁板基礎(chǔ)軟件計(jì)算。因本建筑主體偏向地下室平面右側(cè)，為減小高低層間基礎(chǔ)差異沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)帶來的危害，在純地下室與主樓相交部位設(shè)置沉降后澆帶，后澆帶在主樓結(jié)構(gòu)封頂后澆筑，同時(shí)在設(shè)計(jì)中加大后澆帶所在跨板的配筋，以抵抗結(jié)構(gòu)后期的不均勻沉降。

5. 局部設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)考慮

5.1本建筑的外框架與內(nèi)筒間距較大，為14.5m，框架梁端在內(nèi)筒處負(fù)彎矩較大，按常規(guī)做法此梁在筒內(nèi)宜貫通，以平衡梁端的負(fù)彎矩，但建筑設(shè)在筒內(nèi)的樓電梯間以及通風(fēng)和水專業(yè)的管道井均使框架梁不能正常貫通，這樣在筒體剪力墻上產(chǎn)生較大的平面外彎矩，為此采取以下措施：

（1）加大設(shè)于筒體墻內(nèi)樓層處暗梁截面及配筋，形成加強(qiáng)環(huán)梁，通過此環(huán)梁，將作用于X向墻體上的平面外彎矩分別傳遞到Y(jié)向各墻上；

（2）與框架梁相交的墻體節(jié)點(diǎn)處均設(shè)置暗柱，并通過計(jì)算配置暗柱內(nèi)的縱筋和箍筋；

（3）因剪力墻厚450mm，增加梁端凸出部分，以便提高梁端在抗震時(shí)的錨固。

5.2為減小框架梁的荷載以便減小梁的截面高度，本建筑的次梁均沿Y向布置，這樣就加大了次梁的跨度，為控制次梁的撓度和裂縫，在結(jié)構(gòu)布置時(shí)盡量將次梁在筒體內(nèi)貫通，形成三跨連續(xù)梁，并通過計(jì)算配置梁下部縱筋，滿足正常使用的要求。

5.3在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，X向軸，軸向與剪力墻相交的框架梁，因在同一平面內(nèi)的剪力墻剛度相對(duì)很大，在地震力作用下，與剪力墻相交部位的梁端配筋均超筋，為解決此問題，設(shè)計(jì)中采取兩條途徑分別計(jì)算：

（1）在不考慮地震作用時(shí)，梁與剪力墻相交處按固結(jié)考慮，計(jì)算后按結(jié)果配置梁端負(fù)筋；

（2）在考慮地震作用時(shí)，在滿足規(guī)范允許的層間位移角限值的情況下，假設(shè)梁與剪力墻相交處出現(xiàn)塑性鉸，計(jì)算后按結(jié)果配置梁跨中正筋。這樣既能滿足正常使用時(shí)的強(qiáng)度要求，又能保證地震作用下的安全。

6. 設(shè)計(jì)體會(huì)

（1）按規(guī)范要求，框架剪力墻結(jié)構(gòu)的筒體宜設(shè)邊框梁與邊框柱，框架梁在筒內(nèi)宜貫通，以便加強(qiáng)整體剛度，承受平面外彎矩。本建筑由于方案是香港的建筑事務(wù)所設(shè)計(jì)，港方堅(jiān)持不設(shè)邊框梁與邊框柱和框架梁在筒體內(nèi)不貫通的方案。為保證結(jié)構(gòu)安全，特別是在地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)具備必要的抗震承載能力，良好的變形能力，對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，在設(shè)計(jì)中采取了一些有利的措施，從而彌補(bǔ)了方案的缺陷。

（2）本建筑的次梁均沿Y向布置，且梁高受到限制，經(jīng)計(jì)算，為達(dá)到規(guī)范要求的撓度和裂縫要求，須配置一定數(shù)量的縱筋，以便提高梁的剛度，這樣做不僅增加造價(jià)，而且要求梁上不宜再有較大的集中荷載。所以在今后的設(shè)計(jì)中，若樓層允許的情況下，用橫向框架方案，次梁沿X向布置綜合考慮更合適。

（3）主體結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量位于地下室平面的中部，使質(zhì)心與形心盡量重合。

7. 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全問題

（1）關(guān)于建筑安全事故是否與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有必然聯(lián)系，一直是建筑設(shè)計(jì)界所高度重視的問題。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，盲目加大構(gòu)件截面，增加用鋼量成為一種常見的設(shè)計(jì)方法，造成了不必要的浪費(fèi)。我國很多鋼筋混凝土高層建筑的用鋼量，已超過國外同等高度鋼結(jié)構(gòu)用鋼量。盡管我國設(shè)計(jì)規(guī)范所設(shè)定的安全貯備較低，但某些工程的材料用量反而高于國外同類工程。從歷史事實(shí)來看，自上世紀(jì)50 年代至今，我國使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一直沒有很大的改變，而50 年代所用的混凝土強(qiáng)度很低，其施工手段也很落后，混凝土用體積配合比，人工攪拌，沒有振搗器，而施工發(fā)生安全事故的卻很少。在以前很多大樓等建筑物，使用至今已逾45 年，而且都經(jīng)過了唐山地震影響的考驗(yàn)。這些事實(shí)足以證明，建筑安全事故與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全度是沒有連帶關(guān)系的。

（2）當(dāng)然，通過對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代的建筑形式已經(jīng)發(fā)生了顯著的改變，在更加先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析手段到施工技術(shù)幫助下，在追求以人為本的理念的指導(dǎo)下，相比幾十年前，現(xiàn)在的建筑平面和建筑體型更加趨向復(fù)雜化，各種超限建筑，不符合傳統(tǒng)概念的結(jié)構(gòu)形式也層出不窮，作為一名普通的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)對(duì)這些情況，在沒有把握的情況下，加大一些截面和配筋，雖情有可原，但仔細(xì)分析后往往效果不佳甚至適得其反。

（3）因此，比起之前任何時(shí)候，我們都應(yīng)當(dāng)更加強(qiáng)調(diào)和重視概念設(shè)計(jì)，結(jié)合對(duì)計(jì)算結(jié)果的仔細(xì)分析論證，找出結(jié)構(gòu)體系中的薄弱點(diǎn)，與其它相關(guān)專業(yè)密切配合，“上醫(yī)醫(yī)未病之病”，把安全隱患消除在萌芽階段，比起時(shí)候采取各種措施補(bǔ)救，往往效果更好。 （4）本工程方案階段，建筑曾經(jīng)考慮采用核心筒偏置于房屋的一角的方案，如果這樣做，為了平面的剛度平衡，勢必在房屋的另一端要布置較多的剪力墻，既影響使用又增加造價(jià)，而且整體扭轉(zhuǎn)效應(yīng)也比較明顯，經(jīng)過初步分析和討論，最終決定將筒體移至房屋中部，不但減少了剪力墻，整體剛度也控制在一個(gè)比較合理的范圍內(nèi)，計(jì)算配筋也有所下降。收到了比較好的效果。

8. 結(jié)語：

隨著人們生活的越來越好和城市化現(xiàn)象的突出，城市建筑越來越高，而高層建筑由于其對(duì)結(jié)構(gòu)剛度等各方面要求都很高，所以其設(shè)計(jì)比一般建筑要復(fù)雜。本文以某地區(qū)的某高層建筑為例，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，并給出相應(yīng)的解決方案，以便相關(guān)設(shè)計(jì)人士提供參考依據(jù)。