淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

宋金蘭

（江西省吉安市建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究院，江西 吉安 343000）

對(duì)于高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí)，不僅要考慮結(jié)構(gòu)體系的適用性與經(jīng)濟(jì)性，還要充分考慮抗震性能等幾方面。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的原則

1.1 選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖：結(jié)構(gòu)計(jì)算式在計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計(jì)算簡(jiǎn)圖選用不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的事故常常發(fā)生，所以選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計(jì)算簡(jiǎn)圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來(lái)保證。實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的鉸結(jié)點(diǎn)和剛結(jié)點(diǎn)，但與計(jì)算簡(jiǎn)圖的誤差應(yīng)在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

1.2 選擇合適的基礎(chǔ)方案：基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進(jìn)行綜合分析，選擇經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)方案，設(shè)計(jì)時(shí)宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行地基變形驗(yàn)算。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)有詳盡的地質(zhì)勘察報(bào)告，對(duì)一些缺少地質(zhì)報(bào)告的建筑應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看和參考臨近建筑資料。通常情況下，同一結(jié)構(gòu)單元不宜用兩種不同的類型。

1.3 合理選擇構(gòu)方案：一個(gè)合理的設(shè)計(jì)必須選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，也就是要選擇一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)受力明確，傳力簡(jiǎn)捷。同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系，地震區(qū)應(yīng)力求平面和豎向規(guī)則。總而言之，必須對(duì)工程的設(shè)計(jì)要求、材料供應(yīng)、地理環(huán)境、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行多方案比較，擇優(yōu)選用。

1.4 正確分析計(jì)算結(jié)果：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。因此設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)程序的適用范圍、條件等進(jìn)行全面了解。在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)實(shí)際情況與程序不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析，慎重校核，做出合理判斷。

1.5 采取相應(yīng)的構(gòu)造措施：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)始終要牢記“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓若拉原則”，注意構(gòu)件的延性性能；加強(qiáng)薄弱部位；注意鋼筋的錨固長(zhǎng)度，尤其是鋼筋的執(zhí)行段錨固長(zhǎng)度；考慮溫度應(yīng)力的影響力。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

2.1 水平力是設(shè)計(jì)主要因素

在低和多層房屋結(jié)構(gòu)中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而在高層建筑中，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)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(duì)一定高度建筑來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力性的不同而有較大的變化。

2.2 抗震設(shè)計(jì)要求更高

有抗設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

2.3 軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整；另外對(duì)構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會(huì)得出偏于不安壘的結(jié)果。

2.4 結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

3 重點(diǎn)提高結(jié)構(gòu)重要部位的延性

為了提高高層建筑的抗震能力和抗倒塌能力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能的提高所有構(gòu)件的延展性。但是在具體操作中，想要完全做到這一點(diǎn)是不切實(shí)際的。因而，通常會(huì)選擇提高結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件或是某些構(gòu)件中的一些關(guān)鍵部位的延性。

在豎向結(jié)構(gòu)對(duì)于剛度沿高度均勻分布、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的高層建筑，在提高延性時(shí)主要側(cè)重于底部構(gòu)件；對(duì)于底盤較大的高層建筑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該著重提高主樓和裙樓屋面相銜接處構(gòu)件的延性；對(duì)框支結(jié)構(gòu)則要重點(diǎn)加強(qiáng)底部幾層或是底層框架的延性；而對(duì)于那些不規(guī)則立面的高層建筑，要注意提高形體突變處構(gòu)件的延性。

在結(jié)構(gòu)平面位置上，應(yīng)該注意建筑周邊轉(zhuǎn)角處、平面突變處和復(fù)雜平面各翼相接處構(gòu)件的延性；對(duì)偏心結(jié)構(gòu)，則主要是加大建筑物周邊特別是剛度較差一側(cè)構(gòu)件的延性；對(duì)那些有多道抗震防線抗側(cè)力構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要著重加大第一道防線構(gòu)件的延性。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)問(wèn)題分析

4.1 結(jié)構(gòu)的超高問(wèn)題：在抗震規(guī)范和高規(guī)范中，對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度有著嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問(wèn)題，除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度以為，增加了B級(jí)高度，處理措施與設(shè)計(jì)方法都有較大改變。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)過(guò)由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問(wèn)題，導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過(guò)，必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開專家會(huì)議進(jìn)行論證等工作的情況，對(duì)工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。

4.2 短肢剪力墻的設(shè)置問(wèn)題：在新規(guī)范中，對(duì)墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制，因此，在高層建筑設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設(shè)計(jì)工作增加不必要的麻煩。

4.3 嵌固端的設(shè)置問(wèn)題：由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個(gè)問(wèn)題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來(lái)的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級(jí)的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)嵌的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等問(wèn)題，而忽略其中任何一個(gè)方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改或埋下安全隱患。

4.4 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問(wèn)題：新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動(dòng)，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。”因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

隨著高層建筑的快速發(fā)展，在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都可能會(huì)遇見各種問(wèn)題。這就需要工程設(shè)計(jì)人員不斷的提高自身的知識(shí)和業(yè)務(wù)能力，結(jié)合高層建筑工程的具體狀況，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行合理分析和科學(xué)判斷，并運(yùn)用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理和完善，保證高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

[1]梅洪元，付本臣.中國(guó)高層建筑創(chuàng)作理論發(fā)展研究[R].高層建筑與智能建筑國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)，2002.

[2]趙西安.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[3]于險(xiǎn)峰.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其體系[J].建筑技術(shù)，2009（24）.