高層房屋建筑結構設計分析與探討

徐氫清

（淮安市建筑設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223001）

眼下，經濟的飛速發展，促使著房屋建筑逐漸由單層、多層向高層闊步發展。但由于目前房屋建筑結構設計周期短，任務重,大多數結構設計僅是根據已確定好的平面和豎向布置,先假定好構件尺寸,通過電算來調整結構的周期、位移、剛度比等,以至于房屋建好后在經濟、實用、安全方面留下遺憾。

1.高層房屋建筑結構設計中經常出現的問題剖析

1.1 地基與基礎方面。在這方面經常出現的問題大多數是：高層房屋建筑基礎設計由于設計周期短，設計人員對基礎設計沒有做到優化設計，對基礎進行多方案比較設計、測算，做到即安全又經濟。實際上，我們在具體施工時，地基與基礎設計要做到合理，安全適用，設計人員必須依據地質勘察資料，統一考察多方面因素綜合分析基礎類型和上部結構。

1.2 地下室設計方面，1）在地下室抗浮設計時，經常出現抗浮地下水位高度不準。給結構帶來不安全，因地質質料常常以自然地面向下多少米進行抗浮計算，而實際場地高差較大，無法準確確定水位，所以應經勘察單位確定正確的抗浮水位很重要。2）地下室裂縫控制，因計算機計算，經常會統一按0.2mm控制，這樣會造成鋼筋量偏高，應當迎水面按0.2mm，其它按0.3mm控制。3）地下室外墻配筋計算中有的工程，凡圍墻扶壁柱的不區別扶壁柱尺寸大小，一律按雙向板計算配筋，而扶壁柱按地下室結構整體電算分析配筋，又沒按雙向板傳遞荷載驗算扶壁柱配筋。按外墻與扶壁柱變形協調原理，外墻豎向受力鋼筋、扶壁柱配筋不足，外墻水平鋼筋有富余。

1.3 高層房屋建筑中柱、梁以及基礎的活荷載未按規范乘以折減系數方面。設計人員設計高層建筑時，在計算梁、柱和基礎的活荷載時未按照現行設計規范活荷載乘折減系數計算其效應組合。

1.4 房屋建筑高度、高寬比超過現行規范、規程限值方面。現行的規范、規程給出的房屋最大適用高度和高寬比限值。按照現行抗震規范，高寬比雖然不是強制性條文，但是合理的高寬比對高層建筑的造價有很大的影響，因為高寬比過大（尤其在高烈度地區）將會影響建筑的位移比和剪力墻，柱，梁的配筋。一些高層建筑房屋高度超過最大適用高度規定限值，甚至個別建筑的高度和高寬比均超出規定限值。設計人員在結構設計過程中，對于房屋高度、高寬比和體型復雜程度超過現行規范、規程的高層建筑，會按超限高層建筑進行設計。同時，還有不容忽視的問題是高層建筑適用高度除與結構體系類型及抗震設防烈度有關外，還與場地類別與結構是否規則等因素有關，當位于Ⅳ類場地或結構平面與豎向布置不規則時，其最大適用高度應適當降低20%。

1.5 結構縫設置不合理，縫寬度不足方面。在實際設計過程中，對于超長建筑物而言，為減少溫度變化對結構的不利影響，合理地設置伸縮縫是有必要的。有些設計人員用后澆帶代替伸縮縫，其實這種做法存在一定的問題。因為后澆帶僅能減少混凝土材料干縮的影響，不能解決溫度變化的影響。后澆帶處的混凝土封閉后，若結構再受溫度變化的影響，后澆帶就不能再起任何作用了。

1.6 板承受線荷載時彎矩計算方面。在高層房屋建筑中，常常在樓板上布置一些非承重隔墻，在樓板設計中設計人員會錯把該部分的線荷載換算成等效的均布荷載后，進行板的配筋計算。但有些設計人員錯誤地將隔墻的總荷載附以板的總面積。同時，板上隔墻頂部處理常采用立磚斜砌砌頂緊上部分的樓、屋面板，這樣會給上部的板增加了一個中間支承點，使其變為連續板，支承點上部出現了負彎矩，而在板的設計中又沒考慮該部分的影響，致使板頂出現裂縫(尤其是大跨度板)。

2.高層房屋建筑結構設計對策

高層房屋建筑結構設計包括房屋工程結構總體的優化設計和房屋工程分部結構的優化設計兩方面。其中房屋工程分部結構的優化設計包括：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對以上幾個方面的優化設計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內容，并應在滿足設計規范和使用要求前提下，結合具體工程實際情況，圍繞其綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。下面就對高層房屋建筑結構設計的對策做一闡述。

2.1 概念設計處理實際問題。事實上，概念設計所要處理的問題比較多，但我們可以肯定的是希望通過概念設計，高層房屋建筑結構能在各種不同外部作用下不受破壞，或將破壞程度降至最低。因此，分析如何應對高層方面建筑可能遭遇的各種不確定因素成為概念設計的重要內容。比如：地震是最為難以預料的，破壞性也最大。所以在高層房屋建筑設計過程中應未雨綢繆，從計算及構造等各個方面都要采取有助于提高抗震能力的措施。剛度均勻、對稱是減小地震在結構中產生不利影響的重要手段；延性設計則能有效地防止結構在地震作用下發生脆性破壞；多道設防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設防思想在整個設計過程中都應該作為概念設計的重要指導思想。

2.2 設計要考慮水平力。在低層和多層房屋建筑結構中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結構設計。而在高層房屋建筑設計中，盡管豎向荷載仍對結構設計產生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩、以及由此在豎向構件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。另一方面，對一定高度建筑來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載作用，其數值是隨著結構動力性的不同而有較大的變化，所以對風荷載比較敏感的高層建筑，風荷載須按100年風壓計算。

2.3 應用剪力墻結構體系設計。在高層房屋建筑設計中剪力墻的主要作用在于提高整個房屋的抗剪強度和剛度，墻體同時也作為圍護及房間分格構件。剪力墻結構中，由鋼筋混凝土墻體承受全部水平和豎向荷載，剪力墻沿橫向縱向正交布置或沿多軸線斜交布置，它剛度大，空間整體性好，用鋼量也較少。

2.4 應用筒體結構體系。隨著建筑層數、高度的增長和抗震設防要求的提高，以平面工作狀態的框架、剪力墻來組成高層建筑結構體系，往往不能滿足要求。這時可以由剪力墻構成空間薄壁筒體，成為豎向懸臂箱形梁，加密柱子，以增強梁的剛度，也可以形成空間整體受力的框筒，由一個或多個筒體為主抵抗水平力的結構稱為筒體結構。

2.5 減輕高層房屋建筑自重。高層房屋建筑減輕自重比多層建筑更有意義。我們從地基承載力或樁基承載力考慮，如果在同樣地基或樁基的情況下，減輕房屋自重意昧著不增加基礎造價和處理措施，可以多建層數，這在軟弱土層有突出的經濟效益。

本人認為，在滿足建筑結構長遠效益的前提下，應盡量減少建筑結構的近期投資并提高建筑結構的可靠度和合理性。與傳統設計相比，可以充分利用計算機資源，進行多種結構形式進行結構試算、分析、比較，選擇合理的結構類型，可以使建筑工程造價降低5%～30%。優化技術的實現，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，并具有建筑規范所規定的安全度。同時，它還可為建筑整體性方案設計進行合理的決策，優化技術是實現建筑設計的"適用、安全和經濟"目標的有效途徑。

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