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

徐榮華

摘 要：高層建筑是目前城市建筑的主要類型，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往存在很多的問(wèn)題，這些問(wèn)題的的存在就會(huì)嚴(yán)重影響到高層建筑的建設(shè)質(zhì)量，針對(duì)這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，要采取有效的措施進(jìn)行解決，才能夠有效的保障高層建筑建設(shè)的質(zhì)量。為了做好高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，就需要了解其設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，比如抗震設(shè)計(jì)的多道防線、不同結(jié)構(gòu)形式的變形、結(jié)構(gòu)靜力分析、建筑的設(shè)計(jì)特點(diǎn)等。利用技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，融入相應(yīng)技巧性的知識(shí)，為將來(lái)更好的解決各項(xiàng)不良的問(wèn)題打下良好的基礎(chǔ)。本文主要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策進(jìn)行研究探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題；對(duì)策

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

高層建筑相對(duì)于一般的建筑而言，主要的特點(diǎn)就是其整體的建筑高度較高。而這一特點(diǎn)將會(huì)帶來(lái)一系列建筑結(jié)構(gòu)方面的問(wèn)題。建筑的構(gòu)建是由水平和豎向構(gòu)建組成，高層建筑中的主要水平構(gòu)件包括了梁、板，豎向構(gòu)建主要包括了墻、柱、斜撐等。豎向荷載作用在樓蓋、屋蓋上，由樓板傳至梁，再傳至墻、柱、斜撐等，最后傳遞到基礎(chǔ)。水平荷載由梁、柱、斜撐、墻組成的抗側(cè)力體系抵抗，最后傳至基礎(chǔ)。高層建筑會(huì)受到水平和垂直荷載兩個(gè)方向的作用，水平作用力一般是由于外界的風(fēng)或者地震荷載所產(chǎn)生，而垂直荷載則一般是指建筑本身的重力，以及分布于各樓層的人員及設(shè)備的荷載。一般而言，在低層建筑中，其所受到的水平作用力較小，因此所帶來(lái)的影響也較小。而隨著建筑高度的增高，受到的水平風(fēng)荷載及地震力影響將越來(lái)越大，因此會(huì)產(chǎn)生較大的水平側(cè)向位移，而這無(wú)疑會(huì)對(duì)人們的居住舒適度和建筑的安全性造成較大的影響。因此，在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)尤其注意對(duì)其水平荷載作用的控制，通過(guò)抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件合理布置減少側(cè)向位移，保證高層建筑的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

2.1 帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑抗震問(wèn)題

高層建筑也具有多種類型，各種不同的高層建筑所采用的結(jié)構(gòu)類型也會(huì)有所不同。一般來(lái)說(shuō)，沿街的旅館或者是辦公樓、CBD高層等一些具有大空間的房屋建筑，所采用的結(jié)構(gòu)類型多為帶轉(zhuǎn)換層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，擁有這種結(jié)構(gòu)的房屋，上層部分采用的是剪力墻結(jié)構(gòu)，而底層則采用的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在該類型的建筑房屋中，上部結(jié)構(gòu)會(huì)劃分出多個(gè)小空間，并且底部的大空間具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，一些高層建筑設(shè)計(jì)者在對(duì)這類房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，往往會(huì)因?yàn)榧追竭^(guò)分的追求底部空間，而對(duì)建筑底部的豎向構(gòu)件進(jìn)行過(guò)分的削減，本來(lái)這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)使得豎向傳力路線不連續(xù)，尤其是底層的轉(zhuǎn)換梁，承擔(dān)上部所有的水平力、豎向力，然后再傳給兩端轉(zhuǎn)換柱。而過(guò)分削減豎向構(gòu)件，且不注重加強(qiáng)轉(zhuǎn)換梁轉(zhuǎn)換柱的話，在地震及風(fēng)荷載的作用下，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，從而影響到高層建筑的整體穩(wěn)定性和質(zhì)量。

2.2 豎向體型收進(jìn)、懸挑結(jié)構(gòu)的問(wèn)題

很多的時(shí)候，一些豎向體型收進(jìn)、懸挑結(jié)構(gòu)的高層建筑，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沿豎向發(fā)生劇烈變化，往往在變化的部位造成應(yīng)力集中和變形集中，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的薄弱部位。豎向體型收進(jìn)、懸挑結(jié)構(gòu)在體型突變的部位，樓板承擔(dān)著很大的面內(nèi)應(yīng)力，如果忽視對(duì)這些部位樓板的加強(qiáng)，就會(huì)使得上部結(jié)構(gòu)的地震作用無(wú)法可靠的傳遞到下部結(jié)構(gòu)，從而這些高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在嚴(yán)重的安全隱患問(wèn)題。再如大底盤(pán)多塔樓結(jié)構(gòu)，塔樓在地盤(pán)上不突然收進(jìn)就已經(jīng)造成結(jié)構(gòu)豎向剛度和抗力的突變，如果大底盤(pán)上各塔樓層數(shù)不同、質(zhì)量和剛度不同，分布不均勻等其他因素導(dǎo)致平面、豎向布置更加不均勻，則會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)反應(yīng)，更加不利于結(jié)構(gòu)的抗震。

2.3 忽視了剪力墻平面布置的均勻性

由于高層建筑自身的高度較高，而且施工的規(guī)模也較大，其抗震設(shè)計(jì)的要求也較為嚴(yán)格。為了使得其抗震設(shè)計(jì)水平得到提高，就需要從兩個(gè)主軸方向入手，針對(duì)兩個(gè)主軸進(jìn)行分別計(jì)算，應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置方式，并且宜使兩個(gè)方向抗側(cè)力剛度接近，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都具有重要的作用。然而，很多的設(shè)計(jì)人員會(huì)忽視剪力墻平面布置的均勻性，布置不對(duì)稱、不周邊化，從而不能是結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度和承載能力，造成很大程度上的浪費(fèi)或者結(jié)構(gòu)的不合理，在地震發(fā)生的時(shí)候，無(wú)法從縱向?qū)Ω邔咏ㄖ恼w結(jié)構(gòu)形成保護(hù)，造成結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。另外，短肢剪力墻應(yīng)均勻布置，避免將短肢剪力墻集中布置在一處，否則也容易造成結(jié)構(gòu)剛度不均勻而嚴(yán)重破壞，或者使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

3 加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效對(duì)策

3.1 合理選擇計(jì)算簡(jiǎn)圖及結(jié)構(gòu)方案

在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要在計(jì)算簡(jiǎn)圖基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，所以在計(jì)算簡(jiǎn)圖選擇時(shí)必須合理選擇，若計(jì)算簡(jiǎn)圖不合理，極容易造成結(jié)構(gòu)參數(shù)不準(zhǔn)，影響正常施工，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生，合理選擇計(jì)算簡(jiǎn)圖是保障高層建筑結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的前提條件。在構(gòu)建方法選擇時(shí)應(yīng)采用與計(jì)算簡(jiǎn)圖相對(duì)的方法，設(shè)計(jì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)時(shí)，要保障計(jì)算簡(jiǎn)圖誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。另一方面，在選擇結(jié)構(gòu)方案時(shí)不僅要考慮外觀造型，更要考慮方案經(jīng)濟(jì)性和可行性，方案必須滿足結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系要求。尤其對(duì)荷載以及受力性能考慮時(shí)，必須遵循傳力簡(jiǎn)單、受力明確均勻原則，避免受力過(guò)于集中影響建筑整體結(jié)構(gòu)剛度。

3.2 合理設(shè)計(jì)抗風(fēng)、抗震結(jié)構(gòu)

為使高層建筑抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，在高層建筑抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)做好以下優(yōu)化設(shè)計(jì)工作：（1）基礎(chǔ)優(yōu)化。高層建筑基礎(chǔ)牢固，上部結(jié)構(gòu)才能牢固可靠。為此，高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要合理確定混凝土級(jí)配，最好使用級(jí)配高的砂石，控制好大體積混凝土施工方案，增加基礎(chǔ)持力層的承載力（比如換填、合理采用復(fù)合地基等），必要時(shí)設(shè)置樁基礎(chǔ)，提高建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（2）適當(dāng)增加高層建筑耗能構(gòu)件。增加高層建筑結(jié)構(gòu)中的承重構(gòu)件，如剪力墻、柱等并且合理布置，一定程度上可抵消風(fēng)荷載及地震荷載對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。（3）盡可能減少地震力的水平荷載和風(fēng)力疊加對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。在地震力力作用下，高層建筑可能出現(xiàn)水平方向的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，與風(fēng)的水平荷載尤其是較高處的風(fēng)振作用疊加后，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生更嚴(yán)重的破壞。為此，高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)使用合理的結(jié)構(gòu)形式：框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等，盡量減少地震、風(fēng)等水平荷載作用導(dǎo)致的位移。

3.3 加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)

抗震問(wèn)題，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的地位是不可小覷的。高層建筑本身的高度，使得其建筑要求較高，要優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件位置，使得結(jié)構(gòu)壓力均勻分給每個(gè)構(gòu)件，不會(huì)出現(xiàn)承壓不均而導(dǎo)致地震時(shí)的嚴(yán)重破壞。對(duì)于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也要考慮其材料的安全性能。高層建筑的地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最重要的是對(duì)地基的選擇與設(shè)計(jì)，地基是建筑的根本，一旦發(fā)生破壞，上部結(jié)構(gòu)將無(wú)所依靠。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視地基的設(shè)計(jì)，適當(dāng)考慮其上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)地震作用，確保上部結(jié)構(gòu)的重心盡量與基礎(chǔ)的形心接近，設(shè)計(jì)出既節(jié)省材料又安全可靠的地基。

4 結(jié)束語(yǔ)

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)范要求進(jìn)行，而且要加強(qiáng)實(shí)地考察，多方面的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，編制多個(gè)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)各個(gè)方案的比較來(lái)選擇最適宜的設(shè)計(jì)方案，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行解決，確保整體設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，使建筑物的質(zhì)量能夠得到有效的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張杰，崔偉平.探究高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及解決措施[J].河南科技，2013（1）：173.