高層建筑結構設計的幾個問題探討

【摘 要】建筑工程質量的優劣直接關系到人們的生活，而建筑結構設計是一項繁重而又責任重大的工作，直接影響到建筑物的安全、適用、經濟和合理性。本文就此做一探討。

【關鍵詞】高層；建筑結構；設計要點

多層建筑結構通常以重力為代表的豎向荷載控制結構設計，但隨著建筑物高度的增加，高寬比的加大，水平荷載（風荷載及地震作用）對結構產生的影響愈來愈大，將成為結構設計時決定性的因素。建筑物自重和樓屋面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩數值，與樓房高度一次方成正比，對某一定的高度的樓房，豎向荷載大體上是定值，而水平荷載的數值是隨著結構的動力特性不同而有較大幅度的變化，并且它對結構產生的傾覆力矩以及在豎向構件中所引起的軸力是與建筑物高度的二次方成比例，結構內力明顯加大，結構側向位移增加更快。而且隨著建筑物高度的增加，水平作用愈益成為結構設計中的控制因素，并將成為確定結構體系的關鍵性因素。同時，高層建筑對風的動力作用比較敏感，風振作用成為結構分析中不容忽視的因素。在地震區，高層建筑結構往往受地震作用控制，所以計算地震對結構的動力反應是高層建筑結構分析的重要內容。總之，對于高層建筑結構，作用的動力效應顯著。

具體而言，高層建筑結構設計中應注意以下幾個問題：

1 注重結構的選型，合理選用結構主受力體系

在建筑結構的方案設計階段，結構設計人員要針對特定的建筑方案選用結構設計方案。在考慮結構設計方案時其關鍵的問題是結構的選型。在結構選型的過程中要根據國家的現行規范和規定進行選型。國家的現行規范和規定是在總結了以往的設計經驗、工程實例以及各種工程事故現場調查結果而來的，它具有一定的強制性和科學性。在建筑結構的方案階段，結構選型是重點，結構設計人員必須和建筑方案設計人員相互配合，選用合理、安全、經濟的結構體系，滿足使用和安全功能要求，降低工程造價。

2 改善鋼筋混凝土短柱抗震性能的方法

2.1 采用高強混凝土。減小柱截面和提高剪跨比，最直接的方法就是提高混凝土的強度等級，即采用高強混凝土來增加柱子的受壓承載力，降低其軸壓比，但采用時須慎重或與其他措施配合使用。

2.2 采用鋼骨混凝土柱。鋼骨混凝土柱可充分發揮鋼與混凝土兩種材料的優點，與鋼筋混凝土結構相比，由于配置了鋼骨，使柱的承載力大大提高，從而有效地減小了柱截面尺寸；鋼骨翼緣與箍筋對混凝土有很好的約束作用，使混凝土的延性提高，加上鋼骨本身良好的塑性，使柱具有良好的延性及耗能能力。在高層鋼筋混凝土結構下部的若干層采用鋼骨混凝土柱，可顯著改善結構的抗震性能。

2.3 采用鋼管混凝土柱。鋼管混凝土是套箍混凝土的一種特殊形式鋼管的約束使混凝土處于三向受壓狀態，混凝土的抗壓強度和極限壓應變得到很大提高，不存在受壓區先破壞的問題，也不存在像鋼柱受壓翼緣屈曲失穩的問題，混凝土（特別是高強混凝土）的延性得到顯著改善。鋼管混凝土柱截面可比普通鋼筋混凝土柱截面減小一半以上，可消除短柱并具有良好的抗震性能。

3 連梁超筋問題

剪力墻結構設計中連梁超筋是一種常見現象。剪力墻各墻肢通過連梁形成整體，成為連肢墻或壁式框架，使此墻段具有較大的抗側剛度，能達到此目的主要依靠連梁的約束彎矩。連梁的超筋實質是計算剪力不滿足剪壓比要求。連梁易超筋的部位，在一般剪力墻結構中，豎向在總高度1/3左右的樓層；平面中，當墻段較長時其中部的連梁易超筋；某墻段中墻肢截面高度大小懸殊不均勻時，在大墻肢上的連梁易超筋。抗震設計的剪力墻中連梁彎矩及剪力可進行塑性調幅，以降低其剪力設計值。但在內力計算時已經按《高規》的規定降低了剛度的連梁，其調幅范圍應當限制或不再繼續調幅，以避免在使用狀況下連梁中裂縫開展過早、過大。當連梁破壞對承受豎向荷載無大影響時，可考慮在大震作用下該連肢墻的連梁不參與工作，按獨立墻肢進行二次結構分析，墻肢應按兩次計算所得的較大內力配筋。連梁鉸接處理后，主要承受豎向荷載，施工時仍為整澆，上部鋼筋按構造處理。

4 高層建筑結構設計中的結構剛度

在高層建筑結構設計中，現行的規范是《高層建筑混凝土結構技術規程》。為保證高層建筑結構具有必要的剛度，應對其層間位移加以控制。高層建筑的抗側剛度對結構的抗震性有很大的影響，目前大多數建筑都設計的比較剛，特別是高層住宅，由于房間布置的要求，開間較小，這樣剪力墻布置較多，而且墻厚較厚，比較浪費。一般認為，對于某些地區，由于土質較好，基巖埋深也普遍較淺，且高層建筑多采用樁基礎，或者有1~2層的地下室，持力層座落在中，微風化巖層或者中硬場地土層，地基的特征周期值較小。所以在此條件下，高層建筑的抗側高度一般可以設計得柔些，以結構的極限變形能力作為控制值。在滿足變形的限值的前提下，結構剛度可盡可能設計的小些，這樣既降低了地震作用，也使場地與建筑物發生共振的可能性減小，而且也達到了經濟目的。大多數工程實踐證明，建在較硬場地上的高層建筑可以按變形控制，以柔克剛，既安全又經濟。

5 柱的設計解析

當地上為圓柱時，地下部分應改為方柱，方便施工。圓柱縱筋根數最少為8根，箍筋用螺旋箍，并注明端部應有一圈半的水平段。方柱箍筋應使用井字箍，并按規范加密。角柱、樓梯間柱應增大縱筋并全柱高加密箍筋。異型柱結構，梁縱筋一排根數不宜過多，柱端部縱筋不宜過密，否則節點混凝土澆筑困難。當有部分矩形柱部分異型柱時，應注意異型柱的剛度要和矩形柱相接近，不要相差太大。柱應盡量采用高強度混凝土來滿足軸壓比的限制，減小斷面尺寸。盡量避免短柱，短柱箍筋應全高加密，短柱縱筋不宜過大。另外，考慮到豎向地震作用，柱子的軸壓比及配筋宜留有余地。獨立柱上或柱的中部（半層處）有挑梁時，挑梁長度應有限制。

6 關于強柱弱梁的設計理念

強柱弱梁的概念主要是針對小震不壞，中震可修，大震不倒的抗震設防目標而提出的。柱破壞了建筑物整個都會傾覆，而梁破壞則僅是某個區域失效，因此柱較之梁破壞的損害更大。其一必須嚴格控制柱軸壓比，目前的計算均是基于小震下進行的，如果小震下柱子軸壓比過高，則大震下地震力將對邊柱產生一個巨大的附加軸力，則柱子根本不可能有這點安全儲備，筆者認為軸壓比在任何情況下均不宜超過0.9%，且我們對柱斷面及配筋設置時應分部位處理，建議邊柱，角柱應適當加強，特別是角柱，建議應全柱加密箍筋，且配筋率不宜小于1%。所有框架柱，且柱筋品種不宜過多，矩形截面柱盡可能對稱配筋。而對梁配筋筆者則建議應配足梁中部筋，而支座筋則可通過調幅讓其適當降低，以使地震作用下能形成梁鉸機制，防止柱先于梁屈服，使梁端能首先產生塑性鉸，保證柱端的實際受彎承載力大于梁端的實際受彎承載力。

總之，隨著社會的不斷進步和科技的不斷發展，高層建筑越來越廣泛的出現在城市建設中，在高層建筑結構設計方面出現了新的發展和變化。因此，研究高層建筑結構設計的問題是非常重要和有意義的。

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