高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

徐亞波

北京炎黃聯(lián)合國際工程設(shè)計(jì)有限公司遼寧分公司 遼寧沈陽 110102

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)下，建筑行業(yè)得到了飛速發(fā)展，在建筑用地面積不斷減少的背景下，為了提高土地利用率，高層建筑成為主要發(fā)展趨勢。但是高層建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量直接影響建筑工程的整體質(zhì)量，因此，要從源頭控制高層建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，結(jié)合高層建筑特征和工程具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高高層建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 我國高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展特點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)體型日趨復(fù)雜

伴隨我國經(jīng)濟(jì)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?yàn)榭拐饏^(qū)域，而高層建筑集聚的東部沿海省份還是臺(tái)風(fēng)發(fā)生概率較高的區(qū)域。

1.2 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(yùn)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(diǎn)與混凝土成本較少的特征，推動(dòng)了中國鋼-混凝土混合架構(gòu)的快速崛起。

1.3 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(jī)制。比如廣州西塔運(yùn)用了外部交叉網(wǎng)格架構(gòu)機(jī)制；天津津塔主要抗側(cè)力機(jī)制包括外伸鋼臂抗側(cè)力機(jī)制、鋼管混凝土柱外框、核心鋼板剪力墻機(jī)制；國貿(mào)三期主塔樓運(yùn)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(yùn)用到高層建筑中。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題

2.1 基礎(chǔ)的選擇問題

在高層建筑基礎(chǔ)選型是最核心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，主要原因是高層建筑的基礎(chǔ)承擔(dān)的幾乎高層建筑的全部荷載。由于高層建筑自身重量較大，因此在進(jìn)行基礎(chǔ)選擇上必須慎重考慮。不但要求基礎(chǔ)具有良好的承載力，能夠滿足建筑物自重以及速度變形的需求，同時(shí)，在考慮建筑物整體安全性的情況下盡可能去兼顧成本。我國現(xiàn)有高層建筑基礎(chǔ)類型有箱形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)以及交叉梁基礎(chǔ)，因此需要結(jié)合項(xiàng)目自身特點(diǎn)來做好高層建筑物基礎(chǔ)的選型工作。

2.2 抗震設(shè)計(jì)的選擇問題

在相關(guān)規(guī)范中嚴(yán)格規(guī)定了高層建筑的抗震設(shè)計(jì)的指標(biāo)。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要慎重考慮建筑物所在的地理環(huán)境，根據(jù)地理環(huán)境的不同來進(jìn)行合理的區(qū)分。高層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足建筑物的延展性需要。同時(shí)還需要嚴(yán)格遵守在建筑設(shè)計(jì)時(shí)安全多道設(shè)防的原則。

2.3 高層建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)不合理

當(dāng)前，在高層建筑結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中存在很多不合理地方，特別是結(jié)構(gòu)力學(xué)體系設(shè)計(jì)方面，導(dǎo)致其自身受力形態(tài)出現(xiàn)問題，最終影響建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震性能。但是，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果設(shè)計(jì)人員沒有對當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行分析，盲目照搬照抄其他工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，沒有對動(dòng)態(tài)荷載變化情況進(jìn)行考慮，將會(huì)影響高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 優(yōu)化抗風(fēng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案

針對當(dāng)前和高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能研究：①要對施工基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化，充分保證建筑施工結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。在建筑施工過程當(dāng)中需要在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，采用級別比較高的砂石，在基礎(chǔ)應(yīng)力層上設(shè)置剪應(yīng)力錨桿；②要提升高層建筑在耗能結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)工作，在高層建筑設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，針對其中的承重結(jié)構(gòu)，比如：樓板、剪力墻等來用來抵擋強(qiáng)風(fēng)帶來的影響；③要不斷降低水平荷載力與強(qiáng)風(fēng)疊加起來的高程建筑產(chǎn)生的影響，在高層建筑施工過程當(dāng)中，在強(qiáng)風(fēng)的作用下建筑體水平方向上的荷載應(yīng)力對高層建筑產(chǎn)生的影響非常明顯，非常容易產(chǎn)生水平方向上的內(nèi)應(yīng)力，在水平方向上的結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以和風(fēng)能相互之間進(jìn)行重合疊加，進(jìn)而形成了更大的水平作用力，對建筑體的影響程度非常明顯。

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選型

高層建筑連體結(jié)構(gòu)的兩側(cè)塔樓往往有相同的剛度和體型，但是如果面對兩座塔樓層數(shù)和剛度等指標(biāo)相差較大時(shí)，就應(yīng)當(dāng)根據(jù)彈塑性靜力動(dòng)力分析的結(jié)構(gòu)，合理選擇連接體的連接類型，讓結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)烈的自然災(zāi)害時(shí)不發(fā)生斷裂，最大程度上保護(hù)人民群眾的安全。采用“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的抗震設(shè)計(jì)概念，讓節(jié)點(diǎn)部分始終處于具有彈性的狀態(tài)，保障連接體具有一定的變形能力。

3.3 強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)與地層的建筑受力情況存在一定的差異，因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先要對受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并根據(jù)強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足抗震設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，合理控制柱體和梁的延展性，降低柱體在承載力作用下發(fā)生破碎的概率，縮小柱體的軸向壓力設(shè)計(jì)值與混凝土抗壓強(qiáng)度、截面面積乘積的比值。

3.4 重視建筑物的抗震性能設(shè)計(jì)

為了更好地提高高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，需重視高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)階段，部分建筑單位已在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中取得了一定的成績，并突破了重重阻礙，大大提高了建筑物的穩(wěn)定性和整體安全性。但由于我國建筑物的抗震標(biāo)準(zhǔn)較低，無法有效處理好建筑物抗震性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。

3.5 加強(qiáng)對計(jì)算簡圖的有效使用

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)尺寸和配筋率的大小，對和計(jì)算問題相關(guān)。這作為重要依據(jù)影響著高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在相關(guān)內(nèi)容的計(jì)算中，必須涉及計(jì)算簡圖或計(jì)算模型的選擇問題，所以必須根據(jù)實(shí)際情況對計(jì)算簡圖和計(jì)算模型進(jìn)行選擇。然而，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，實(shí)際情況較為復(fù)雜，并且合理選擇計(jì)算圖是相當(dāng)困難的。

4 結(jié)語

總而言之，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，會(huì)對建筑的整體安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來直接的影響。目前，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題已經(jīng)成為普遍性的問題，需要考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)要求，這樣的研究成果才能具有借鑒的意義。