在鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題的分析

張銳

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我們的綜合國力日益增強，也進(jìn)一步推進(jìn)了高層建筑在我國的快速發(fā)展。目前的建筑正朝著結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、建筑高層化發(fā)展，建筑技術(shù)、建筑形式、以及建筑材料都發(fā)生了較大變革。其中使用材料最多的是鋼筋混凝土，鋼筋混凝土具有耐久性好、安全性高等特點。對于鋼筋混凝土高層建筑來說，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個非常關(guān)鍵的問題，直接影響了建筑實體的質(zhì)量。已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到高層建筑工程中。通過做好鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，能夠保證鋼筋混凝土材料得到有效利用，提升高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文主要分析鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題與解決對策，保證鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計工作得以順利開展。

2 我國鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)的發(fā)展

2.1 建筑高度不斷增加

依據(jù)相關(guān)資料記載，自80年代到20世紀(jì)末期，伴隨中國經(jīng)濟(jì)的增長，建設(shè)了100多棟高于150m的建筑，到2006年年末，中國內(nèi)部共計建設(shè)了150多棟高于150m的建筑，到2009年年末，該類建筑的數(shù)量已達(dá)到250棟，在2018年，又制定了很多高層建筑建設(shè)規(guī)劃。從這可以知道，國內(nèi)高層建筑無論在建設(shè)速度還是在建設(shè)數(shù)量以及建設(shè)的高度方面，均讓人吃驚，如圖1所示。

2.2 結(jié)構(gòu)體型日趨復(fù)雜

伴隨我國綜合國力的增長，高層建筑一方面要具有建筑自身應(yīng)當(dāng)有的效能，另一方面還應(yīng)當(dāng)有自身的特色。中國大多數(shù)區(qū)域為抗震區(qū)域，而高層建筑集聚的東部沿海省份還是臺風(fēng)發(fā)生概率較高的區(qū)域。比如福建、廣東等地建造的高層建筑，廣州市區(qū)便是臺風(fēng)發(fā)生頻次較高的區(qū)域，而建筑架構(gòu)體型的日漸繁雜讓設(shè)計過程中原本就難度較大的抗風(fēng)、抗震等問題面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2.3 新型結(jié)構(gòu)體系涌現(xiàn)

伴隨高層建筑的發(fā)展，產(chǎn)生了諸多新型架構(gòu)機制。比如廣州西塔運用了外部交叉網(wǎng)格架構(gòu)機制；天津津塔主要抗側(cè)力機制包括外伸鋼臂抗側(cè)力機制、鋼管混凝土柱外框、核心鋼板剪力墻機制；國貿(mào)三期主塔樓運用的是鋼-混凝土結(jié)構(gòu)-核心筒架構(gòu)。另外，以巨型柱為基礎(chǔ)的巨型架構(gòu)等結(jié)構(gòu)方式也廣泛運用到高層建筑中。

2.4 超高層建筑中鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)為主

依據(jù)相關(guān)資料，到2017年年末，中國高于250m的超高層建筑架構(gòu)中，鋼-混凝土架構(gòu)占到98.4%，比如金茂大廈、上海環(huán)球金融中心，外部框架都是型鋼混凝土柱和鋼柱，內(nèi)部為鋼筋混凝土核心筒；剛建成不久的117大廈，外部運用鋼管混凝土柱，內(nèi)部為鋼板混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。鋼架構(gòu)具有技術(shù)方面的優(yōu)點與混凝土成本較少的特征，推動了中國鋼-混凝土混合架構(gòu)的快速崛起。另外，鋼混架構(gòu)呈現(xiàn)為結(jié)構(gòu)方式多元、適應(yīng)水平高、結(jié)構(gòu)功能優(yōu)良、穩(wěn)定性優(yōu)良等優(yōu)勢，為此估計在未來的高層建筑設(shè)計中這種結(jié)構(gòu)會得到更大范圍的運用。

3 鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計常見問題

3.1 結(jié)構(gòu)體系不合理

如果設(shè)計人員選擇的結(jié)構(gòu)體系不合理，在一定程度上會降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在設(shè)計鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)體系的過程中，設(shè)計人員要結(jié)合工程結(jié)構(gòu)特點，并根據(jù)該地區(qū)抗震設(shè)防等級及風(fēng)荷載情況等，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系。如果鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)體系不合理，該高層建筑工程的結(jié)構(gòu)性能會降低，如果設(shè)計人員選擇的設(shè)計指標(biāo)不科學(xué)，則會降低鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)的可靠性，導(dǎo)致各種質(zhì)量問題的出現(xiàn)，甚至出現(xiàn)安全問題。

3.2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計不科學(xué)

在設(shè)計鋼筋混凝土高層建筑工程地基與基礎(chǔ)的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)以下幾個問題：①基礎(chǔ)類型選擇不當(dāng)，導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)不均勻沉降甚至傾斜。②天然基礎(chǔ)設(shè)計不合理，地基的斜面坡坡度較大，會降低地基混凝土的振搗質(zhì)量，影響地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。③地下室底板配筋不合理，如果地下室底板配筋不合理，高層建筑結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，增加建筑物的不均勻沉降量。④設(shè)計人員沒有考慮到地下水對地基與基礎(chǔ)的影響，如果地下水位比較高，會影響地基與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性，因此，設(shè)計人員要制定合理的地基與基礎(chǔ)防水設(shè)計方案，提升地基與基礎(chǔ)的可靠性。

3.3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計存在較多缺陷

在鋼筋混凝土高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫或者倒塌事件，當(dāng)外界發(fā)生地震時，高層建筑結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)坍塌。此外，在設(shè)計框架-剪力墻連接構(gòu)件的過程中，由于剪力墻布置不合理，會增加框架-剪力墻連接構(gòu)件的設(shè)計難度，影響鋼筋混凝土高層建筑整體結(jié)構(gòu)的可靠性。

4 鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計常見問題的解決對策

4.1 科學(xué)設(shè)計結(jié)構(gòu)體系

在信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，各類計算機軟件在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用范圍越來越廣泛。在本鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，我們可以充分運用BIM技術(shù)，構(gòu)建完善的建筑設(shè)計模型，結(jié)合該建筑模型的運行特點，不斷優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計方案得到良好的實施。對于設(shè)計人員來講，還要做好高層建筑結(jié)構(gòu)計算與分析工作，運用不同的計算方法，將計算結(jié)果進(jìn)行綜合對比，不斷提升鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性。

通過各種比對，科學(xué)設(shè)計鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)體系，能夠有效提升高層建筑工程的抗震性能，減少施工資源的浪費。鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在實際工作當(dāng)中，要選擇合理的設(shè)計指標(biāo)，并結(jié)合該地區(qū)及建筑物的情況，不斷優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方案，不斷減小外界環(huán)境對鋼筋混凝土高層建筑工程施工質(zhì)量的影響。

4.2 合理設(shè)計地基與基礎(chǔ)

為了保證鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案得到更好的實施，設(shè)計人員需要合理設(shè)計建筑的地基與基礎(chǔ)。通過綜合分析場地地質(zhì)條件，合理選擇基礎(chǔ)方案，保證結(jié)構(gòu)安全。在本鋼筋混凝土高層建筑工程中，由于地質(zhì)條件良好，我們采用天然地基獨立基礎(chǔ)（局部筏板）+防水板+抗浮錨桿形式，并準(zhǔn)確設(shè)計各個基礎(chǔ)間的拉梁結(jié)構(gòu)，增大基礎(chǔ)配筋，有效提升獨立基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。由于該高層建筑有地下室，為了防止地下室底板出現(xiàn)大面積裂縫，我們在不同持力層間采用褥墊處理方案，提高地基與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全性。

通過合理設(shè)計地基與基礎(chǔ)，能夠幫助設(shè)計人員全面了解鋼筋混凝土高層建筑地基與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點。伴隨我國高層建筑工程數(shù)量的逐年增多，地基與基礎(chǔ)設(shè)計工作顯得越來越重要，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在實際工作中，要根據(jù)地下水位變化情況，繪制包絡(luò)圖，并結(jié)合高層建筑地基與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點，制定相應(yīng)的防水方案。此外，設(shè)計人員還要做好配筋工作，準(zhǔn)確計算地基與基礎(chǔ)配筋量，保證該高層建筑地基與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的可靠性得到更好的提升。

4.3 優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計人員通過合理優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠提升高層建筑結(jié)構(gòu)的抵抗水平荷載性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。例如，設(shè)計人員在設(shè)計框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的過程中，要結(jié)合框架-剪力墻布置情況，做好相應(yīng)的設(shè)防工作，保證框架-剪力墻結(jié)構(gòu)剛性符合相關(guān)規(guī)定，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。另外，在設(shè)計梁柱的過程中，設(shè)計人員要遵守“強柱弱梁”設(shè)計原則，并準(zhǔn)確計算高層建筑梁柱的節(jié)點剪力，提高高層建筑物的抗震性能。設(shè)計人員在實際工作當(dāng)中，需要注意以下問題：①不得隨意增加高層建筑上部結(jié)構(gòu)荷載，保證高層建筑連梁部位更加穩(wěn)定。②認(rèn)真遵守相關(guān)設(shè)計規(guī)范，禁止在高層建筑連梁上部搭設(shè)框架梁。通過合理優(yōu)化鋼筋混凝土高層建筑上部結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠有效提升設(shè)計方案的科學(xué)性，減少施工材料的浪費。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國城市化進(jìn)程不斷加快，高層數(shù)量快速增長，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的質(zhì)量提出了新的要求。文章以超高層建筑設(shè)計為例，對其建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題進(jìn)行分析，只有采取科學(xué)化的設(shè)計方案，結(jié)合工程項目的實際情況進(jìn)行計算，才能達(dá)到設(shè)計盡可能的完善，可以說從整個工程案例的幾個維度來看，設(shè)計者不僅要重視結(jié)構(gòu)的定量計算分析，而且更要注重結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計，即結(jié)構(gòu)的宏觀控制和定性判斷，才可以保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升其結(jié)構(gòu)質(zhì)量。