高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘 要】 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，城市中的高層建筑如雨后春筍，日益增加。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)選型、具體程序計(jì)算、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施等方面把握整個(gè)設(shè)計(jì)。本文主要對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

【關(guān)鍵詞】 高層；混凝土結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)越來(lái)越普遍，其高層建筑結(jié)構(gòu)與普通多層建筑結(jié)構(gòu)相比有著明顯不同的受力和變形性能，風(fēng)荷載和地震作用取代豎向荷載而成為影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性因素。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初始階段的重點(diǎn)是確定結(jié)構(gòu)體系及其平、立面布置，而判斷結(jié)構(gòu)布置的合理性和結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性就成了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文主要對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該及早介入建筑的概念設(shè)計(jì)

建筑的概念設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程了起著舉足輕重的作用，一幢建筑物的設(shè)計(jì)，如果沒(méi)有事先經(jīng)過(guò)全盤(pán)正確的概念設(shè)計(jì)，以后的計(jì)算模式再準(zhǔn)確、計(jì)算再精確、配筋再合理，也不可能是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、合理的優(yōu)秀設(shè)計(jì)工程。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)論是什么結(jié)構(gòu)形式，都不同于以往的靜力設(shè)計(jì)必須從抗震的角度，采用二階段設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防要求。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）側(cè)向力（風(fēng)或水平地震作用）成為影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形及建筑物土建造價(jià)的主要因素。高層建筑和低層建筑一樣，承受自重、活載、雪載等垂直荷載和風(fēng)、地震等水平力。在低層結(jié)構(gòu)中，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，可以忽略不計(jì)；在多層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的效應(yīng)（內(nèi)力和位移）逐漸增大；在高層建筑中，水平荷載和地震力將成為主要的控制因素。

（2）結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜剛度。隨著高度的增加，高層建筑的側(cè)向位移迅速增大。因此設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，而且要求結(jié)構(gòu)有適宜的剛度，使結(jié)構(gòu)有合理的自振頻率等動(dòng)力特性，并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內(nèi)。

（3）結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的延性。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。建筑結(jié)構(gòu)的耐震主要取決于結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力兩個(gè)因素。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，避免高層建筑在大震下倒塌，必須在滿足必要強(qiáng)度的前提下，通過(guò)優(yōu)良的概念設(shè)計(jì)和合理的構(gòu)造措施，來(lái)提高整個(gè)結(jié)構(gòu)、特別是薄弱層（部位）的變形能力，來(lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮這些因素，合理設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、適宜的剛度、良好的延性。

3 結(jié)構(gòu)選型

3.1 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)階段工作被動(dòng)。

3.2 結(jié)構(gòu)的超高問(wèn)題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(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)高度的建筑外，增加了B級(jí)高度的建筑，因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑甚或超過(guò)了B級(jí)高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。

3.3 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)嵌固端的設(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。

3.4 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 地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在這一階段，所出現(xiàn)的問(wèn)題也有可能更加嚴(yán)重甚至造成無(wú)法估量的損失。在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要注意地方性規(guī)范的重要性問(wèn)題。由于我國(guó)占地面積較廣，地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》無(wú)法對(duì)全國(guó)各地的地基基礎(chǔ)都進(jìn)行詳細(xì)的描述和規(guī)定，因此，作為建立在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之下的地方標(biāo)準(zhǔn)。地方性的“地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范”能夠?qū)⒏鞯胤降牡鼗A(chǔ)類型和設(shè)計(jì)處理方法等一些成熟的經(jīng)驗(yàn)描述和規(guī)定得更為詳細(xì)和準(zhǔn)確。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

5.1 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的軟件選擇。由于各軟件在采用的計(jì)算模型上存在著一定的差異，因此導(dǎo)致了各軟件的計(jì)算結(jié)果有或大或小的不同。所以，在進(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析時(shí)必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)選擇合理的計(jì)算軟件。對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性、可靠性進(jìn)行判斷是十分必要的，是結(jié)構(gòu)工程師最主要的任務(wù)之一，這項(xiàng)工作要以結(jié)構(gòu)工程師的力學(xué)概念和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。

5.2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算需控制的幾個(gè)參數(shù)。①剪重比：控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性。若過(guò)小，說(shuō)明底部剪力過(guò)小，這時(shí)應(yīng)注意結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是否滿足要求。若過(guò)大，應(yīng)檢查輸入信息是否有誤或剪力墻過(guò)多結(jié)構(gòu)太剛。②剛度比：控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，避免產(chǎn)生剛度突變。③位移比：控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以免產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。它反映的是質(zhì)心與剛心的偏離程度。平面布置宜規(guī)則，對(duì)稱，使質(zhì)心和剛心盡量重合。④周期比：控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動(dòng)為主的第一自振周期之比，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9，B級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.85。反映的是抗扭剛度與抗側(cè)剛度之間的關(guān)系。⑤層間受剪承載力比：控制豎向不規(guī)則性。

5.3 是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對(duì)自振周期的影響。規(guī)范中根據(jù)大量工程的實(shí)測(cè)周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算自振周期折減系數(shù)，已列為強(qiáng)制性條文，需特別注意。

5.4 多塔結(jié)構(gòu)和分縫結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。近幾年來(lái)，大底盤(pán)，多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn)，而在計(jì)算分析該類型高層建筑時(shí)，是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類型進(jìn)行計(jì)算，還是將結(jié)構(gòu)人為地分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算，是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問(wèn)題。如果分開(kāi)計(jì)算，下部裙房及基礎(chǔ)計(jì)算誤差較大，且各塔之間相互影響無(wú)法考慮。應(yīng)先進(jìn)行整體計(jì)算，但計(jì)算周期比時(shí)應(yīng)將各塔分開(kāi)。

5.5 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與設(shè)計(jì)。在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

對(duì)這部分內(nèi)容，尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于高層建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大。因此，必須嚴(yán)格按照規(guī)范中的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算處理措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅僅是一門(mén)技術(shù)，更是一門(mén)藝術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有絕對(duì)最佳的標(biāo)準(zhǔn)模式，只有通過(guò)不斷地探索、比較，去尋求相對(duì)的最優(yōu)。因此，我們每一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師都應(yīng)不斷地追求盡善盡美的設(shè)計(jì)思想，不只盲目照搬規(guī)范和依賴計(jì)算機(jī)程序作設(shè)計(jì)，用自己的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念、經(jīng)驗(yàn)、判斷力和創(chuàng)造力為業(yè)主和社會(huì)設(shè)計(jì)出更好的建筑。

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