高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題及對策

趙潔

摘? ? 要：國民經(jīng)濟水平與城市化進(jìn)程的不斷提升，使得高層建筑的規(guī)模與數(shù)量持續(xù)增加。與普通建筑相比，高層建筑在施工中的建設(shè)難度大，同時對于設(shè)計環(huán)節(jié)的要求也較高。在設(shè)計初期階段，應(yīng)對全局進(jìn)行把控，以保證后期的施工作業(yè)活動能夠順利進(jìn)行。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個設(shè)計方案的核心內(nèi)容，同時是確保建筑物整體安全的關(guān)鍵因素。因此，在高層建筑設(shè)計過程中，設(shè)計者應(yīng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計給予更多的關(guān)注，并將其作為設(shè)計工作的重點。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;問題分析;對策

1? 前言

結(jié)構(gòu)尤其是高層建筑結(jié)構(gòu)在建筑物中必定要占據(jù)一定的空間。結(jié)構(gòu)如何和建筑巧妙的結(jié)合，為建筑創(chuàng)造更多的有效使用空間，也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)之一。近年來在筒體和整體結(jié)構(gòu)高寬比很大的高層超高層建筑較多，在此同時，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在著高層建筑結(jié)構(gòu)方案選擇失當(dāng)、高層建筑結(jié)構(gòu)計算中傳統(tǒng)工具應(yīng)用不系統(tǒng)、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計功能不足等問題，易導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)抗震能力、安全水平、使用性能等一系列不足和欠缺。

2? 高層建筑結(jié)構(gòu)特征

高層建筑最為明顯的特征就是高度較高，這使得建筑結(jié)構(gòu)會受到水平、豎直等方向傳來的荷載，且在抗震等級上也有著較高要求。對于高層建筑來說，中低檔位置受到風(fēng)力和荷載的影響相對較小，但是隨著高度的增加，其受到風(fēng)力和荷載的影響也將逐漸增大，進(jìn)而產(chǎn)生一定的剪切力，在外界不良因素的影響下，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的位移，降低建筑安全性。所以在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要綜合考量多方面因素，以加強設(shè)計的合理性、科學(xué)性。

3? 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題

3.1? 高寬比問題

伴隨著建筑市場的不斷進(jìn)步，住宅項目對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性和適用性也提出了越來越高的要求。從建筑戶型上將板式住宅由于通風(fēng)采光等優(yōu)勢成為地產(chǎn)項目的潮流，隨之而來建筑高寬比不斷提高，同時為了項目的利潤最大化，建設(shè)方對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性也有較高要求，但高寬比超限對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性有著直接的影響，同時高層建筑的高寬比，是對結(jié)構(gòu)剛度、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟合理性的宏觀控制;結(jié)構(gòu)的高寬比體現(xiàn)了建筑整體體型對結(jié)構(gòu)剛度的影響，同時結(jié)構(gòu)內(nèi)部抗側(cè)力構(gòu)建的布置方式，數(shù)量、截面等均影響結(jié)構(gòu)整體剛度。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.3.2條條文說明中提到，在復(fù)雜體型的高層建筑中，如何計算高寬比是比較難以確定的問題。

3.2 扭轉(zhuǎn)問題

實際工程中理想的絕對均勻?qū)ΨQ的高層建筑結(jié)構(gòu)幾乎是不存在的。但是結(jié)構(gòu)的均勻?qū)ΨQ有利于結(jié)構(gòu)抗震抗風(fēng)，有利于與結(jié)構(gòu)在重力荷載下正常工作，扭轉(zhuǎn)問題的產(chǎn)生主要是由于結(jié)構(gòu)的較大不對稱，將引起結(jié)構(gòu)在水平側(cè)力作用下產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形;其次就是高層建筑三心設(shè)計存在偏離，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)在水平力影響下出現(xiàn)不同程度的扭曲震動，降低建筑安全性。高層建筑的三心指的是質(zhì)量中心、剛度中心和幾何中心這三項。所以在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要對三心進(jìn)行合理把控和計算，減少偏差的產(chǎn)生。

3.3? 抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計是目前設(shè)計部門及人員經(jīng)常忽視的一個問題，這種情況的產(chǎn)生使得建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)力作用下很容易產(chǎn)生位移，破壞建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。另外，設(shè)計人員在抗風(fēng)性能的驗算中由于取值上的不合理，也導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，降低了高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。

4? 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化對策

4.1? 建筑高寬比設(shè)計優(yōu)化及對策

根據(jù)我區(qū)地方細(xì)則7.1.7條款說明，當(dāng)高寬比超過現(xiàn)行國家規(guī)范限值，但不大于現(xiàn)行國家規(guī)范限值的1.3倍時，應(yīng)對出現(xiàn)偏心受拉的構(gòu)件截面，配筋予以加強。當(dāng)高寬比超過現(xiàn)行國家規(guī)范限值的1.3倍時，應(yīng)經(jīng)專門研究，采取更有效的加強措施。

就某項目來說，對于高寬比大于5.0小于6.5的情況，首先，在小震下出現(xiàn)偏心受拉的暗柱和墻體，抗震構(gòu)造措施提高一級;其次，對于暗柱的軸向名應(yīng)拉應(yīng)力在1.0～1.3倍混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值時，總縱筋承擔(dān)全部拉力，計算鋼筋面積時鋼筋抗拉強度區(qū)200MPa;暗柱的軸向名應(yīng)拉應(yīng)力超過1.3倍混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值時，設(shè)置型鋼或鋼板承擔(dān)全部拉力，計算型鋼面積時鋼材抗拉強度取200MPa。等一些措施。

對于高寬比大于6.5的情況時，要采取專項驗算或構(gòu)造措施作為補充措施。首先，大震下零應(yīng)力區(qū)小于25%;其次，進(jìn)行中震雙向水平地震作用下墻肢偏拉驗算，對出現(xiàn)偏拉的暗柱和墻體采取相應(yīng)措施;再次，剪力墻構(gòu)造措施根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行加強。最后，大震補充分析，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性分析，分析結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行加強并驗證大震下位移角限值滿足規(guī)范要求。

高寬比的計算，一般情況下，可按所考慮放行的最小寬度寬度計算高寬比，但對突出建筑物平面很小的局部結(jié)構(gòu)（如樓梯間，電梯間等），一般不應(yīng)包含在計算寬度內(nèi);對于不宜采用最小寬度計算高寬比的情況，應(yīng)由設(shè)計人員根據(jù)實際情況確定合理的計算方法;對帶有裙房的高層建筑，當(dāng)裙房的面積和剛度相對于其上部塔樓的面積和剛度較大時，計算高寬比的房屋高度和寬度可按裙房以上塔樓結(jié)構(gòu)考慮。一般我們采用計算模型中的有效寬度計算高寬比;也有根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)計算回轉(zhuǎn)半徑。

4.2? 扭轉(zhuǎn)控制

（1）控制結(jié)構(gòu)平面寬度。對于小型高層建筑框架結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)結(jié)合工程專業(yè)條件具體選擇合理的扭轉(zhuǎn)控制措施。如果專業(yè)不允許，可以通過添加抗側(cè)力剛度的方式進(jìn)行扭轉(zhuǎn)控制;如果專業(yè)允許，則可通過添加框架柱的方式完成扭轉(zhuǎn)剛度的控制。對于相對小型的高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻一般會設(shè)置在電梯、樓梯等位置上，為了更好實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)控制，可適當(dāng)?shù)南魅踔虚g部分剪力墻，添加外側(cè)剪力墻，不過相應(yīng)的施工成本也會增加。由此可見，若建筑工程中能使用框架體系，則盡量不使用框架剪力墻體系，以此滿足控制扭轉(zhuǎn)效應(yīng)需求。

（2）建筑結(jié)構(gòu)周期比控制。建筑結(jié)構(gòu)周期比控制也是實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)控制的主要措施。在實際操作中，一方面可以通過增加剪力墻厚度的方式來延長扭轉(zhuǎn)周期;另一方面可通過提升拉梁剛度的方式縮短扭轉(zhuǎn)周期，增大抗扭轉(zhuǎn)強度。

（3）增大周邊結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度在保證抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提升周邊結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，以此來實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)控制目標(biāo)。首先，將單向剪力墻轉(zhuǎn)變成形剪力墻，并盡可能延長其長度;其次，增加剪力墻厚度;最后，增大周邊剪力墻連梁高度，利用樓板、下層門頂高度之間的距離來確定連梁高度，強化扭轉(zhuǎn)控制效果。

4.3? 抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

高層建筑由于高度較高，對風(fēng)力的振動也較為敏感，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要對建筑的抗風(fēng)性能進(jìn)行充分考慮。高層建筑的高度會對風(fēng)力產(chǎn)生一定的干擾，阻礙自然風(fēng)的流動，進(jìn)而改變流動和動能效應(yīng)，對高層建筑產(chǎn)生動力荷載。所以在設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要先對高層建筑結(jié)構(gòu)的材料予以檢查，確保其抗壓性能符合建筑要求，降低荷載壓力對建筑結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)建筑周圍的氣流發(fā)生變化時，會受到建筑之間的間距、高度、數(shù)量等的影響而產(chǎn)生狹管效應(yīng)，進(jìn)而降低建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量。如果在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，并未將這一情況考慮其中，勢必會影響建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，威脅人們的生命安全。

5? 結(jié)束語

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，要做好全面的把控，提出高質(zhì)量的設(shè)計方案，保障建筑結(jié)構(gòu)性能達(dá)標(biāo)。設(shè)計工作的開展，從多個方面入手，做好結(jié)構(gòu)水平力和穩(wěn)定性等指標(biāo)的把控，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，為建筑施工提供高質(zhì)量方案。

參考文獻(xiàn)：

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