試論超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性問題

【摘要】針對超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性問題，文中以300 m超高層建筑為例，運用文獻查閱、實地研究、風(fēng)速測試、基礎(chǔ)設(shè)計等多種方法，對存在的安全隱患以及關(guān)鍵性設(shè)計進行了探討。研究報告了超高層建筑在設(shè)計中因施工技術(shù)復(fù)雜，易出現(xiàn)安全隱患的現(xiàn)狀。通過對抗震設(shè)計、延性設(shè)計、風(fēng)載荷、地基等方面的實地調(diào)查和統(tǒng)計，顯示通過設(shè)計可有效提升超高層建筑設(shè)計安全性。

【關(guān)鍵詞】超高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；關(guān)鍵性問題

【中圖分類號】TU973.3 【文獻標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）07-0139-03

0 引言

當(dāng)前，越來越多的城市開始建設(shè)高層、超高層建筑，使得建筑工程的數(shù)量不斷增加。高層建筑具有空間跨度大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等特點，導(dǎo)致高層建筑工程施工過程中存在諸多問題，這也給高層建筑的設(shè)計工作帶來了新的挑戰(zhàn)。為了能夠使高層建筑的質(zhì)量和功能得到進一步提高，就要對設(shè)計工作進行不斷優(yōu)化和完善。同時，在進行高層建筑設(shè)計時要認真分析和研究各種因素，對影響結(jié)構(gòu)安全的因素進行充分考慮和研究，從而保證設(shè)計工作能夠更好地滿足人們在施工過程中所提出的各種需求。

1 項目概況

在超高層建筑中，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是決定其安全與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。本項目為300多米的超高層建筑，施工技術(shù)復(fù)雜，存在著極大的安全隱患。這類超高層建筑的構(gòu)造設(shè)計應(yīng)綜合各種要素，如地震、風(fēng)力、地基、延展性等，以此保證能夠達到建筑在穩(wěn)定性和安全性方面的需求[1]。

2 超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性問題

2.1 抗震設(shè)計

高層建筑中，由于地震所帶來的危害極大，所以需要對建筑工程進行抗震設(shè)計?？拐鹪O(shè)計是確保建筑工程能夠順利建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。在對超高層建筑進行抗震設(shè)計時，要明確自身的抗震能力，從而保證抗震措施能夠達到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，避免在地震過程中對自身造成損傷[2]。同時，要對超高層建筑結(jié)構(gòu)進行認真分析和研究，并在此基礎(chǔ)上對抗震措施進行合理制定。

首先，要在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時全面考慮地震所帶來的影響。通過對地震的分析，可以知道地震對于建筑物所造成的破壞程度很大，會直接導(dǎo)致建筑物的倒塌[2]。要充分了解當(dāng)?shù)氐牡卣鸹顒忧闆r，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定抗震措施。其次，在對超高層建筑進行抗震設(shè)計時要考慮到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和地基結(jié)構(gòu)的影響。要將建筑工程作為一個整體來考慮其抗震性能，對相關(guān)指標(biāo)進行全面計算，分別為周期比、扭轉(zhuǎn)位移比、層剛度比、層承載力比、減重比等。要加強高層建筑的整體剛度和質(zhì)量。最后要加強對超高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性進行設(shè)計[3]。

2.2 加強建筑結(jié)構(gòu)的延性

超高層建筑結(jié)構(gòu)的延性性能對于整個建筑工程的質(zhì)量具有直接影響，所以在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時要加強建筑結(jié)構(gòu)的延性。建筑結(jié)構(gòu)的延性是指在承受荷載作用下，其破壞之前所能承受的最大荷載。當(dāng)承受荷載作用時，結(jié)構(gòu)所承受的力可以分成兩部分，一部分是由荷載直接作用而產(chǎn)生的直接應(yīng)力，另一部分則是由荷載間接作用而產(chǎn)生的變形應(yīng)力。因此，對于高層建筑來說，其所受荷載并不是均勻分布在整個結(jié)構(gòu)上的，而是具有一定的非均勻分布現(xiàn)象[4]。延性性能主要由兩部分組成：一部分是指在外力作用下產(chǎn)生變形時吸收能量和消耗能量所需要消耗的能力；另一部分是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生屈服破壞之后所能吸收能量和消耗能量所需要消耗的能力。一般來說，對于荷載在各個構(gòu)件上的非均勻分布現(xiàn)象來說，主要情況見表1。

為了使建筑結(jié)構(gòu)具有一定的延性性能，可以采取以下措施：第一，對構(gòu)件進行適當(dāng)加強。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于彈性階段時，可以加大構(gòu)件截面面積、增大構(gòu)件截面高度、加大鋼材強度來提高其延性性能；第二，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中可以增加樓層高度和層數(shù)。當(dāng)樓層高度和層數(shù)增加后，就能夠使結(jié)構(gòu)延性性能得到提升。

2.3 風(fēng)荷載

高層建筑的整體高度比較大，其結(jié)構(gòu)的表面風(fēng)壓分布會更加復(fù)雜。在進行超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時要充分考慮風(fēng)的作用，采用合適的計算方法對風(fēng)荷載進行計算。

一般情況下，在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中要根據(jù)規(guī)范要求進行設(shè)計，對于風(fēng)荷載進行詳細計算見式（1）。

（1）

式中：為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；為高度處的風(fēng)振系數(shù)；為風(fēng)荷載體型系數(shù)；為風(fēng)壓高度變化的系數(shù)；為基本風(fēng)壓值，kN/m2。

并且，要在風(fēng)致振動系數(shù)中同時加入與風(fēng)速、風(fēng)向有關(guān)的附加因素。如果建筑物底部受到陣風(fēng)作用，那么就會產(chǎn)生下壓作用；如果建筑物頂部受到陣風(fēng)作用，那么就會產(chǎn)生上壓作用；如果建筑物頂部受到陣風(fēng)作用，那么就會產(chǎn)生側(cè)移作用[5]。對超高層建筑結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是控制建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要因素。在進行超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要對風(fēng)荷載進行充分考慮和分析，采用合理的方法來計算風(fēng)荷載，從而保證超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性。

1）基本風(fēng)壓。根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，高層建筑的基本風(fēng)壓是指在平均風(fēng)作用下，位于結(jié)構(gòu)頂部的單位面積上受到的最大靜壓力，計算公式見式（2）。

（2）

式中：為空氣質(zhì)量密度；為風(fēng)速，m/s。

根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，建筑物的基本風(fēng)壓可以采用風(fēng)洞試驗方法來進行確定。在實際設(shè)計中，可以采用多種方法來確定建筑物的基本風(fēng)壓。主要有三種方法：一是基于規(guī)范經(jīng)驗公式的方法，該方法能夠?qū)ㄖ锝Y(jié)構(gòu)頂部的靜風(fēng)壓力進行確定。二是基于平均風(fēng)壓系數(shù)的方法。該方法能夠?qū)ㄖ锝Y(jié)構(gòu)底部或者兩側(cè)樓層的平均風(fēng)壓進行確定。三是基于平均風(fēng)壓系數(shù)和脈動風(fēng)壓功率譜密度函數(shù)關(guān)系法。該方法能夠?qū)ㄖ锝Y(jié)構(gòu)底部和兩側(cè)樓層的脈動風(fēng)壓進行確定。根據(jù)以上三種方法，可以確定建筑物基本風(fēng)壓。

2）平均風(fēng)。平均風(fēng)是指風(fēng)速與平均風(fēng)向之間的夾角，即風(fēng)向與風(fēng)速之間的夾角。在進行超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要根據(jù)工程所在地區(qū)的地形地貌以及平均風(fēng)速等因素，選擇合適的計算方法計算平均風(fēng)速，從而確定出超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中所需要的風(fēng)荷載[6]。在進行平均風(fēng)計算時，要充分考慮建筑物周圍地形地貌的影響。因為超高層建筑結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境是一個復(fù)雜多變的環(huán)境，不同位置處的平均風(fēng)呈現(xiàn)出不同的特征。如果采用傳統(tǒng)方法進行超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，那么會導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

3）脈動風(fēng)。在對脈動風(fēng)的特性進行分析時，首先要了解脈動風(fēng)的頻率和結(jié)構(gòu)的固有頻率。在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的固有頻率對于風(fēng)荷載來說具有非常重要的作用，是脈動風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)上的主要表現(xiàn)形式。在對超高層建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，要將風(fēng)速和風(fēng)向作為主要因素，并根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求進行計算。

脈動風(fēng)對于高層建筑結(jié)構(gòu)來說是一種隨機荷載，會對建筑物產(chǎn)生較大幅度的振動。在設(shè)計時要充分考慮到脈動風(fēng)對高層建筑產(chǎn)生的影響，從而保證高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，項目測試脈動風(fēng)記錄見圖2。同時還要了解風(fēng)荷載的相關(guān)知識，提高對脈動風(fēng)特性分析和研究的能力。只有這樣才能保證超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理和科學(xué)。

2.4 地基基礎(chǔ)

1）在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計時，要根據(jù)建筑的實際情況，對不同的地質(zhì)條件進行有效分析，具體數(shù)據(jù)見表2，從而確定最佳的基礎(chǔ)形式。在實際的工程中，很多超高層建筑都存在著較多不均勻沉降現(xiàn)象，為了確保整個建筑結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全，就要對地基基礎(chǔ)設(shè)計工作進行不斷優(yōu)化和完善。一般來說，如果地基的土層比較深厚，就要根據(jù)實際情況采用復(fù)合地基形式 ；如果土層比較松散、承載力較差或者是地下水位較高時，就要采用樁基形式；如果巖層中存在著軟土、淤泥等不良地質(zhì)時，就要采用樁基形式。

2）在超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計時，需要對深基坑支護方案進行科學(xué)選擇和確定，從而確保深基坑支護技術(shù)能夠有效保證超高層建筑工程質(zhì)量。例如，某一超高層建筑基礎(chǔ)所處位置屬于地下水較豐富地段。在進行該工程基礎(chǔ)設(shè)計時，首先要結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況和水文情況選擇適宜的深基坑支護方案。一是采用深基坑支護樁加內(nèi)支撐或者是錨索、地下連續(xù)墻等方式進行支護；二是在地下連續(xù)墻的基礎(chǔ)上設(shè)置一道或是兩道鋼筋混凝土支撐；三是采用土釘和混凝土支撐等方式進行支護；四是采用高壓旋噴樁、噴射混凝土等方式進行支護；五是采用錨桿+預(yù)應(yīng)力管樁或者鋼支撐方式進行支護。

在進行超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計時，可以采用的深基坑支護方式，主要包括錨桿、鉆孔灌注樁以及地下連續(xù)墻等。錨桿支護技術(shù)主要是利用錨桿的拉斷強度來有效保證基坑支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還能夠有效控制基坑變形，從而保證整個基坑安全。鉆孔灌注樁主要是利用鉆孔灌注樁來作為基礎(chǔ)，在進行基礎(chǔ)設(shè)計時，一定要充分考慮地下水位和地下水壓力等因素，從而確定最佳的深基坑支護形式。

地下連續(xù)墻是一種能夠有效保證施工安全的深基坑支護形式。主要是利用鋼筋混凝土做圍護結(jié)構(gòu)埋在地下，然后在施工過程中運用機械設(shè)備和人工進行開挖。在進行地下連續(xù)墻基礎(chǔ)設(shè)計時，一定要充分考慮到各種因素對連續(xù)墻的影響。同時還需要對施工圖紙進行不斷優(yōu)化和完善，從而有效保證建筑基礎(chǔ)設(shè)計工作能夠順利進行。此外，在進行超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計時還要注意對深基坑支護結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的關(guān)系進行有效分析和處理。通常情況下，超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計的深度比較大，并且周邊環(huán)境比較復(fù)雜，為了能夠確保整個施工過程中不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大影響，就要對深基坑支護結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境進行有效協(xié)調(diào)和控制。

在進行超高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計時，一定要充分考慮到各種因素對樁基形式的影響，從而為建筑物提供一個更加安全、穩(wěn)定且堅固的地基來確保整個工程的質(zhì)量。一般情況下，在進行樁基設(shè)計時都會根據(jù)樁基類型的不同來選擇不同的樁徑和樁長，從而確保整個基礎(chǔ)能夠有效承受較大的壓力。

3 結(jié)語

超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中的重點和難點，其不僅關(guān)系到建筑物的功能能否得到充分發(fā)揮，同時還與建筑物的安全性緊密相關(guān)。因此，在進行超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時要針對不同類型的建筑物對其進行不同的分析和研究，并對影響其安全的因素進行充分考慮和研究，從而保證超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作能夠更好地滿足人們在施工過程中所提出的各種需求。

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[作者簡介]常城（1988—），女，沈陽人，本科，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計。