高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉倩倩

（平頂山平煤設(shè)計(jì)院有限公司 河南平頂山 467000）

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越發(fā)成為建筑設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，同時在設(shè)計(jì)時也存在著較大的難度。在高層建筑的設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)占據(jù)著非常重要的位置?？茖W(xué)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能夠更好地保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中要充分考慮多個影響因素，同時還要保證基礎(chǔ)的質(zhì)量，進(jìn)而更好地確保高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

1.1 水平荷載影響大

建筑的自重與樓面的使用荷載在豎向構(gòu)件當(dāng)中所受的軸力與彎矩值與樓房的高度成正比，而水平荷載當(dāng)中所產(chǎn)生的傾覆力矩和由此產(chǎn)生的軸力與樓房高度的平方成正比，所以高層建筑的穩(wěn)定性會在極大程度上受到水平荷載的影響。

1.2 高度重視軸向變形

在高層建筑中，豎向荷載不容忽視。其可以在柱結(jié)構(gòu)中引發(fā)較為明顯的軸向變形，進(jìn)而對連續(xù)梁的彎矩也產(chǎn)生較為顯著的影響，并使得連續(xù)梁中間支座位置的負(fù)彎矩明顯減弱，跨中正彎矩以及端支座的負(fù)彎矩顯著提高，除此之外還會影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中下料的長度。因此，必須要結(jié)合軸向變形的計(jì)算來對下料的長度予以科學(xué)的調(diào)整。構(gòu)件剪力和側(cè)移也會因此受到較大的影響。與構(gòu)件的豎向變形相比，其安全性會有所下降。

1.3 以側(cè)移為控制指標(biāo)

與多層建筑不同，高層建筑設(shè)計(jì)中必須要關(guān)注結(jié)構(gòu)側(cè)移的問題，高層建筑的高度日益升高，同時受水平荷載的影響，結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形會更為顯著，所以，結(jié)構(gòu)水平荷載作用的影響下，應(yīng)對側(cè)移予以嚴(yán)格的控制。

1.4 更加關(guān)注抗震設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若存在抗震設(shè)防，則一方面要考慮結(jié)構(gòu)正常使用過程中的豎向荷載以及風(fēng)荷載，另一方面還要確保結(jié)構(gòu)自身能夠具備較強(qiáng)的抗震性，進(jìn)而更好地保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則分析

2.1 場地適應(yīng)

該原則一般是指高層建筑的地基承載力以及抗震性能都要滿足建筑設(shè)計(jì)的基本要求。

2.2 空間整體

高層建筑的設(shè)計(jì)是一個綜合性的空間結(jié)構(gòu)體系，因此其在空間上具有較為明顯的整體性。只有不同的結(jié)構(gòu)之間形成有效的配合，才能更好地保證結(jié)構(gòu)的整體性以及整個建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而結(jié)構(gòu)抗震性能與子結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度以及受力狀態(tài)都有著十分密切的聯(lián)系。

2.3 功能適應(yīng)

在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，由于其在功能上存在著較大的差異，所以，其也顯示出了不同的功能空間特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)體系的形式也存在著較大的不同，空間布置上也風(fēng)格迥異，不同特征的空間要與其結(jié)構(gòu)形成一個整體。

2.4 高度合理

不同的建筑結(jié)構(gòu)體系在力學(xué)特點(diǎn)以及整體功能方面存在著十分明顯的差異，同時不同結(jié)構(gòu)體系也有能夠與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)高度，只有保證結(jié)構(gòu)高度的合理性，才能更好地體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的整體性以及綜合性。

2.5 施工方便

該原則主要是指建筑設(shè)計(jì)形式對建筑的施工工藝選擇、施工整體的難度、施工工期以及施工效果都會有著決定性的影響。

3 現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)研究

3.1 框架結(jié)構(gòu)體系

在高層建筑當(dāng)中，框架結(jié)構(gòu)體系是較為常見的結(jié)構(gòu)形式，其主要是由不同材料的建筑構(gòu)件通過不同方式連接所形成的承重負(fù)荷體系下所形成的框架建筑結(jié)構(gòu)。該體系一方面可以很好地確保工程自身的安全性與穩(wěn)定性，另一方面還可以很好地保證各重要結(jié)構(gòu)的關(guān)系，進(jìn)而能夠使其變成一個更具完整性的結(jié)構(gòu)。若采用混凝土施工，某些框架結(jié)構(gòu)還會為混凝土和其他附屬結(jié)構(gòu)提供附著點(diǎn)。

3.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常有兩種設(shè)計(jì)形式，一種是高剪力墻，一種是底墩剪力墻。高剪力墻通常起到樓層間承力的作用，同時其也是承擔(dān)上層建筑力的一個非常關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)。這種剪力墻的厚度較大，同時墻根處通常設(shè)置加強(qiáng)墩，從而更好地保證建筑的剛度和強(qiáng)度。底墩剪力墻主要起到了為內(nèi)置樓梯承力的作用。通常其高度較低，厚度較薄。為了更好地保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工程建設(shè)的要求，一般會根據(jù)實(shí)際情況在內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋。此外，剪力墻的設(shè)計(jì)也對高層建筑自身的質(zhì)量有著十分顯著的影響，因此必須要根據(jù)相關(guān)的要求與規(guī)范來設(shè)計(jì)與施工，進(jìn)而更好地保證工程質(zhì)量。

3.3 筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的特殊性，其一般常用在大跨度空間或超高層建筑當(dāng)中，該結(jié)構(gòu)是高層建筑發(fā)展尤其是超高層建筑出現(xiàn)之后，對建筑強(qiáng)度的要求越來越高而出現(xiàn)的一種特殊的結(jié)構(gòu)形式。在其發(fā)展初期，因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還不是十分成熟，因此其作用和優(yōu)勢并沒有得到充分的體現(xiàn)，所以其應(yīng)用范圍受到了較大的限制。但是建筑技術(shù)發(fā)展速度飛快，尤其是建筑3D技術(shù)的帶動，筒體結(jié)構(gòu)形式不斷完善，其在應(yīng)用上也得到了明顯的改善，同時其優(yōu)勢也更為明顯，在應(yīng)用上也更為普遍和廣泛。

3.4 框架-剪力墻混合結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)是在框架中根據(jù)實(shí)際的情況科學(xué)設(shè)置剪力墻，框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)所形成的一種新的受力形式直接決定了框架剪力墻受力的特點(diǎn)?？蚣苌喜客ǔＪ巧弦粚咏ㄖ膲w結(jié)構(gòu)，所以結(jié)構(gòu)本身會受到較大的垂直方向上的壓力，所以結(jié)構(gòu)需要承受較大的垂直壓力。因此在工程設(shè)計(jì)施工的過程中，一定要采取有效措施，增強(qiáng)其強(qiáng)度以及抗垂直變形的能力，此外還要確?？蚣苁┕さ馁|(zhì)量和效果。剪力墻結(jié)構(gòu)通常會受到較大的水平方向上的力，且其數(shù)值較大，對建筑水平結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會產(chǎn)生較大的影響。所以在剪力墻施工的過程中，一定要在合理范圍內(nèi)提升其剛度水平。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)集合了兩種結(jié)構(gòu)形式，所以在設(shè)計(jì)過程中一定要保證二者的科學(xué)協(xié)調(diào)，同時還要在工程施工后對其施工的質(zhì)量及效果進(jìn)行嚴(yán)格仔細(xì)地檢查。

4 高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

4.1 確保荷載傳遞的可靠性

在工程設(shè)計(jì)的過程中，必須要保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，從而更好地確保高層建筑上部結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑵鋵A(chǔ)頂面的作用力有效傳到地基土或樁頂位置。

4.2 提高變形協(xié)調(diào)，控制不均勻沉降

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在上不結(jié)構(gòu)與地基土中間，所以其剛度水平和平面分布對不均勻沉降的控制和減少局部及整體撓度有著非常重要的作用。如在高層建筑中，若采用條形基礎(chǔ)就無法保證上不結(jié)構(gòu)對地基承載力的基本要強(qiáng)。在建筑物要求地基剛度較強(qiáng)，能夠更好地應(yīng)對不均勻沉降時，可以采取筏型基礎(chǔ)。這種基礎(chǔ)形式字平面尺寸和地基均勻度滿足要求的前提下，基底平面形心與上不結(jié)構(gòu)的豎向永久荷載的中心永遠(yuǎn)在一個位置。若出現(xiàn)不重合的情況，在荷載效應(yīng)永久組合的作用下，可借助對基底面積的調(diào)整對偏心距進(jìn)行有效的控制，進(jìn)而更好地使其滿足要求。

4.3 內(nèi)力分析中充分考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上層結(jié)構(gòu)的作用

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們必須意識到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)和地基土三者之間存在著共同作用。在工程設(shè)計(jì)中可能無法全部顧及，尤其是地基模型和模型參數(shù)的選擇，其對共同作用有著十分顯著的影響。但由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造和配筋能夠充分地反映共同作用的最終結(jié)果，因此我們必須要對其予以充分考慮。如在面積相同的整體筏型基礎(chǔ)上建設(shè)了多個高層和多層建筑時，筒體下筏板的厚度以及配筋應(yīng)嚴(yán)格按照上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)以及地基土三者的共同作用來計(jì)算，戴群芳高層建筑下的大面積筏型基礎(chǔ)主樓下筏板的整體撓度一定要在0.5‰以內(nèi)，主樓與相鄰的裙房柱之間的差異沉降應(yīng)在1‰以內(nèi)，而裙房柱間的差異沉降應(yīng)在2‰以內(nèi)。

4.4 關(guān)于梁的扭矩問題分析

由于梁具有一定的彈性，在正常使用時，梁自身的抗扭剛度不會出現(xiàn)折減的情況，當(dāng)處于空間受力情況時，梁會承受扭矩，梁的抗扭剛度會隨著扭轉(zhuǎn)裂縫的變化而改變，進(jìn)而使得扭矩縮小。在進(jìn)行截面受扭承載力驗(yàn)算時，通常會忽略板產(chǎn)生的作用力，這樣驗(yàn)算出的梁承受的扭矩僅僅是一部分。當(dāng)前，現(xiàn)澆板樓面較多。所以，設(shè)計(jì)現(xiàn)澆樓面梁時，可將扭矩折減0.4～1.0系數(shù)。具體設(shè)計(jì)時，應(yīng)將梁的周邊無板的梁的抗扭作為重點(diǎn)注意對象；同時不應(yīng)折減裝配式樓蓋或獨(dú)立梁的扭矩。

4.5 施工模擬問題

高層建筑的施工通常是分層施加結(jié)構(gòu)自重，而結(jié)構(gòu)自重又給建筑造成了豎向荷載。在具體的施工過程中，柱和剪力墻會逐漸形成軸向變形，由此我們可以得到模擬施工的計(jì)算方法。但是，豎向荷載在建筑物投入使用后將轉(zhuǎn)變成長期作用。剪力墻壓軸較小，使得內(nèi)力重新調(diào)整，情況又趨向一次加載的計(jì)算結(jié)果。因此，當(dāng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，應(yīng)調(diào)整頂部樓層配筋異常的梁用兩種計(jì)算結(jié)果，使柱相連梁端負(fù)鋼筋加大；同時，將與剪力墻相連一側(cè)負(fù)鋼筋減小。

5 結(jié)束語

在當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，人們越來越重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，由于高層建筑結(jié)構(gòu)形式隨著高層建筑建設(shè)的發(fā)展在不斷豐富，因此設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也占據(jù)著越來越重要的位置，因此我們必須要科學(xué)地選擇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式，進(jìn)而保證工程設(shè)計(jì)的整體效果。