高層建筑結構設計中的常見問題分析

【摘 要】高層建筑結構設計工作是一項意義極為重大的工作，它也是決定高層建筑的安全性與耐久性的一項重要而又關鍵的因素。本文簡要地分析了我國高層建筑結構設計中的常見問題及其應對策略。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計；使用壽命；耐久性；抗震

1 引言

隨著近年來我國經濟建設的步伐越來越快，各類大中型的建筑工程也如雨后春筍般不斷涌現，而其中的高層建筑所占的比重也越來越大，其地位也變得越來越重要，這就對高層建筑的結構設計提出了更高的要求。對于高層建筑而言，其結構設計質量優劣的判斷依據，主要就是對其工程整體及局部結構的剛度、強度、耐久性與穩定性等因素來進行分析而得出的。

值得一提的是，高層建筑在其施工和使用階段的各個環節當中，不僅要遭受自然環境以及人為因素所帶來的有毒化學物質的侵蝕，而且又要承擔雪荷載、風荷載、地震荷載、疲勞荷載甚至是超載、人禍等意外因素的不利影響，與此同時還要抵抗高層建筑結構自身的老化和材料退化所帶來的緩慢但卻不可逆轉的破壞。由此可見，高層建筑結構設計工作是一項意義極為重大的工作，它也是決定高層建筑的安全性與耐久性的一項重要而又關鍵的因素。由此可見，我們應當進一步豐富高層建筑的相關設計理念，提高整個高層建筑結構體系以及單一構件的相關技術措施。本文簡要地分析了我國高層建筑結構設計中的常見問題及其應對策略。

2 高層建筑結構設計中的常見問題及其應對策略

2.1 從設計理念上加深對高層建筑使用壽命的理解

我國在高層建筑的設計理念上，將逐步從最初的單純設計滿足載荷強度的設計原則轉變到既滿足載荷強度需求又滿足使用壽命需要的設計思路，這也符合國際上高層建筑工程建設對使用壽命的要求。加強高層建筑使用壽命的理解，應首先要研究確定結構重要性的方法。例如，一般我國設計的高層建筑若不是特別重要的建筑則只需設計五十年使用壽命，而特別重要的建筑在其結構設計時則需考慮一百年甚至一百五十年。但這些使用壽命確定方面明顯過于簡單而缺乏足夠的可靠性，需經過大量模擬實驗證明。在確定使用壽命之后，高層建筑工程建設的規劃、設計、施工、運行(包括養護、維修、管理)也需要綜合考慮，以便建設的高層建筑使用壽命在預想之中。

2.2 進一步關注高層建筑結構的耐久性問題

高層建筑在建造和使用過程中，一定會受到環境、有害化學物質的侵蝕，并要承受雪荷載、風荷載、地震荷載、疲勞荷載甚至是超載、人禍等意外因素的作用，同時高層建筑所采用材料的自身性能也會不斷退化，從而導致結構各部分不同程度的損傷和劣化。大量的病害實例也證明，除了施工和材料方面的原因，影響結構耐久性的決定性因素是來自構造上(也即設計上)的缺陷。

2.3 不能忽視環境對于高層建筑結構及構件的影響

在高層建筑的結構耐久性設計過程中，尤其應當重視環境因素對鋼筋以及混凝土所造成的腐蝕反應。其中，對于海邊的高層建筑而言，由此要注意周圍環境的氯離子侵蝕情況，這種類型的環境因素對于高層建筑結構耐久性所造成的腐蝕后果是非常嚴重并且不容忽視的。另外，還應當注意在屋面工程當中設計一定的排水坡度并設置相應配套的排水管道，且設計合理的防水層，以此來避免屋面產生滲漏的現象，從而緩解環境因素對于高層建筑結構的腐蝕破壞。

2.4 更深入地研究高層建筑結構在疲勞荷載作用下的反應及對策

由于在高層建筑結構所主要承擔的作用中，風荷載等作用都屬于動荷載作用，這種類型的作用力會對高層建筑結構的內部造成循環往復并不斷變化的應力，這不但容易使結構產生振動，而且還會造成結構產生疲勞損傷，并且這種疲勞損傷還會不斷地進行積累。又由于高層建筑中所選擇的材料通常都無法做到絕對的均勻與連續，并且其不可避免地還會存在著一些細微的缺陷或不足，在之前所說的循環往復并不斷變化的應力作用下，這些細微的缺陷或不足就很容易逐步擴展并最終合并成為不容忽視的損傷，如果任其繼續自然發展的化，最后就會威脅到整個結構的安全性。而對于疲勞荷載作用的研究，也不僅僅是針對高層建筑的整體結構，實踐證明，高層建筑產生整體結構失效的初始原因，往往只是某些建筑結構關鍵部位上的構件因為沒能抵抗住疲勞荷載作用而產生的局部失效造成的。

2.5 格外重視高層建筑結構設計中的抗震措施設計

近年來國內國外地震頻發，給人類社會帶來了極大的災難。尤其是我國的地震通常具有發生頻繁、震害強烈、范圍廣泛等特點。因此對于高層建筑這一類的建筑工程而言，遭受地震破壞的可能性就要比其他工程大得多。而我國的工程人員以及人民群眾對于高層建筑的抗震措施設計也有了更科學的認識，在高層建筑結構設計中，有關抗震措施的設計思想也逐步被人們所重視。

其中，首先要解決的就是如何將高層建筑中的各類鋼筋混凝土構件設計成為抗震性能優越的延性構件，從而能夠依靠它們在大震時的屈服過程來使得地震施加在高層建筑結構上的能量得到最大限度的損耗和散失，并最終確保高層建筑結構在經歷了地震之后仍然能夠保持令人滿意的使用功能。而作為整個高層建筑結構的幾個關鍵環節，基礎結構與主體結構的抗震措施設計，對于避免高層建筑結構遭到地震作用的毀滅性打擊，將起到不可替代的重要作用。在有選擇余地情況下，高層建筑應選擇在基本烈度較低及河岸穩定和地基良好的地段。并應盡可能避免選擇在軟弱黏性土層、可液化土層和地層嚴重不均勻的地段，特別是斷層地段。如必須設置在可液化或松軟土層的河岸地段時，高層建筑的基礎結構應采用樁基等深基礎。整個高層建筑的結構形式要選擇抗震性能好、整體性強的結構體系。在高烈度地震區盡可能采用整體規則性好的建筑結構，結構的布置要力求幾何尺寸、質量和剛度均勻、對稱、規則，避免突然變化。支座與伸縮縫等連接件是高層建筑整體抗震性能上的一個薄弱環節，因此應盡量減少伸縮縫的用量。選用伸縮縫時，應使其變形能力滿足預計地震產生的位移，并使伸縮縫支承面有足夠的寬度，同時采取有效措施來進行消能作用。

3 結語

綜上所述，高層建筑在安全性與耐久性方面的設計欠缺已經成為結構設計人員必須正視并且急需解決的一個大問題，這不僅需要我們立足于國內大量的高層建筑實例所積累起來的經驗與教訓，還需要我們能夠積極而又謙虛地對國際上的成功經驗和與慣例做法進行良好的借鑒，從而最終將我國的高層建筑結構設計提升到一個新的臺階。因此，當前的高層建筑在其結構設計過程中，不但要對其工程造價進行層層把關，而且也要對整個高層建筑結構的工作性能和使用功能格外重視，同時還要密切關注在其使用過程中的維修與日常維護的費用以及對應于其使用壽命的相應的經濟效益。另外，對于高層建筑結構設計而言，歸根結底，還是應當進一步豐富高層建筑的相關設計理念，提高整個高層建筑結構體系以及單一構件的相關技術措施，并對超載、疲勞荷載等理論基礎較為淺薄的情況進行更深入的研究。

另外，我國是世界上一個著名的地震多發國家，我們必須對以往的地震震害進行認真、全面的分析，并從曾經的災難中吸取寶貴的經驗與教訓，以此來不斷促進高層建筑結構設計、尤其是其抗震措施設計的理論發展與實踐進步，從而保證在今后的地震中能夠盡可能地降低人民生命財產的損失。