高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點事項研究

王磊 王曉婷

同圓設(shè)計集團有限公司 山東濟南 250101

1 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

在高層住宅建筑中，主要采用的結(jié)構(gòu)形式有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)。其中，框架結(jié)構(gòu)由桿件剛性連接構(gòu)成，空間布置靈活多變。但梁柱截面較小，使得結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度較弱，框架結(jié)構(gòu)一般只適用于不超過20層的建筑中。剪力墻結(jié)構(gòu)則是首選結(jié)構(gòu)形式，利用鋼筋混凝土墻體承受水平力、豎向力，利用剪力墻對墻體和樓板進行較好連接[1]。該種結(jié)構(gòu)剛度較大，具有較強抗震能力。框剪結(jié)構(gòu)是利用大剪力墻對部分框架結(jié)構(gòu)進行替代，利用樓板和連梁構(gòu)成結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)整體剛度得到提升，受水平荷載作用可以產(chǎn)生較高承載力。實際在高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要考慮結(jié)構(gòu)延性，確保結(jié)構(gòu)進入塑性階段依然維持較強變形能力，以免建筑發(fā)生坍塌。結(jié)構(gòu)側(cè)移需要控制在一定限值范圍內(nèi)，避免水平荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生過大側(cè)移變形。由于豎向荷載基本為確定數(shù)值，風荷載、地震作用等將有所變化，水平荷載變化幅度較大，設(shè)計時應(yīng)確保引發(fā)的軸力、彎矩能夠與建筑高度成正比，以免結(jié)構(gòu)受到過大影響。而在豎向荷載過大時，結(jié)構(gòu)柱將發(fā)生較大軸向變形，導致連續(xù)梁中間支座位置負彎矩變小，跨中正彎矩與端支座彎矩加大，影響結(jié)構(gòu)安全性。此外，高層住宅建筑需要加強結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，保證建筑做到小震不壞、大震不倒。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響因素

2.1 上部結(jié)構(gòu)剛度的影響

如果上部結(jié)構(gòu)是絕對柔性的，則不會限制基礎(chǔ)的變形，基礎(chǔ)梁的產(chǎn)生局部彎曲的同事也會承受較大的整體彎曲。如果上部結(jié)構(gòu)是絕對剛性的，則豎向構(gòu)件會在基礎(chǔ)變形后均勻沉降，而忽略豎向構(gòu)件的抗轉(zhuǎn)動能力，則可以把豎向構(gòu)件作為基礎(chǔ)梁的固定鉸支座，而不會導致整體彎曲，但會導致局部的彎曲。在絕對撓度和剛度的條件下，基礎(chǔ)梁的內(nèi)力大小和分布是不同的[2]。

2.2 地基條件的影響

建筑工程中的上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的受力主要是由所在環(huán)境的地基基礎(chǔ)沉降與壓縮性能決定的。如果基礎(chǔ)持力層承載力大，土的壓縮性又不大，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太大的影響。當基礎(chǔ)持力層為巖石層，那么基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)整體性的彎曲，局部彎曲可以通過加強基礎(chǔ)剛度來調(diào)節(jié)，這樣不會導致上層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降問題。但是實際工程中持力層不一定是上面所說巖石層，當土層壓縮性不同，并且分布不均勻，就會導致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。地下水位不同，而且持力層深度不一，有時候要計算抗浮穩(wěn)定性，同樣會影響基礎(chǔ)設(shè)計。

2.3 共同作用分析的影響

在分析地基結(jié)構(gòu)的應(yīng)力的時候，應(yīng)該要綜合的考慮地基土、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)之間的相互作用。整個系統(tǒng)的變形和內(nèi)力計算應(yīng)該要以接觸點和連接點滿足的變形協(xié)調(diào)條件為一個基礎(chǔ)。有限差分法、有限元法和有限條法是幾種常用的相互作用分析方法，它們可以實現(xiàn)剛度矩陣的建立和實現(xiàn)形式協(xié)調(diào)條件與剛度矩陣的耦合[3]。

2.4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震性能的影響

隨著全球進入新一輪地震活躍群，地震對人類影響越來越大。如果建筑的抗震安全性能差，在發(fā)生地震的時候就會導致建筑物的損壞坍塌，破壞基礎(chǔ)設(shè)施，影響城市經(jīng)濟發(fā)展水平。因此需要提高建筑工程的安全性，而建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，建筑的抗震性能由多方面決定的，一般施工材料、施工技術(shù)與結(jié)構(gòu)的設(shè)計對其影響較大。

3 高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計的要點分析

3.1 框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

高層建筑框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計過程中，要盡量保持柔性，但如果是高壓縮下的地基，那么基礎(chǔ)要增加一定的剛性[4]。如果是樁基的設(shè)計，則可通過變剛度布樁的方式，調(diào)整、優(yōu)化樁基，盡量減小布局均勻沉降對建筑物的影響，從而使得基礎(chǔ)或者承臺的內(nèi)力降低，建筑質(zhì)量得到提高。

3.2 墻下條形基礎(chǔ)

伴隨施工技術(shù)的不斷進步，施工材料逐漸以鋼筋混凝土為主，鋼筋混凝土墻下條形基礎(chǔ)具有較好的抗彎性和抗壓性，常應(yīng)用在上部載荷大、地基承載力弱的建筑工程中。雖然抗壓性較好，但抗拉能力稍顯不足，所以總體上多是用于底層房屋建筑工程中。

3.3 樁箱基礎(chǔ)

樁箱基礎(chǔ)是指箱基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)聯(lián)合受力的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適合較軟地基或沉降有特殊要求的高層建筑以及承載力大的建筑。對于樁箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)而言，重點是布樁方案的制定。不同方位，對應(yīng)的地基土屬性有差別，所以，在實際設(shè)計樁箱基礎(chǔ)時，要選擇合適的布樁方法，消除不同方位的作用力，使得底部能夠均勻受力。如果發(fā)生不均勻受力現(xiàn)象，可在中間位置增大樁間距，以保證均衡受力。

3.4 箱、筏基礎(chǔ)

箱基礎(chǔ)、筏基礎(chǔ)一般應(yīng)用在較高地基基礎(chǔ)承載力或者地基承載力不均勻的建筑中，有時具備地下室的高層建筑也應(yīng)用筏基礎(chǔ)[5]。而設(shè)計箱基礎(chǔ)、筏基礎(chǔ)的重難點是如何降低基礎(chǔ)整體彎曲應(yīng)力。在實際的設(shè)計中，可通過共同作用方法進行分析設(shè)計，使得地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間保持變形協(xié)調(diào)和力的平衡。

4 結(jié)語

為滿足人們的生活需求，逐步的加強對高層住宅建筑方面的建設(shè)，這是緩解城市人口增長壓力重要的一個手段。在高層住宅的建筑里，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平是項目順利進行的主要前提，上層建筑的穩(wěn)定性是發(fā)揮出其重要作用的一個關(guān)鍵，我們要做好各個結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，保證其結(jié)構(gòu)性能達到使用的需要。