高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉曉光

（湖南省建筑科學(xué)研究院 湖南長沙 410000）

高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉曉光

（湖南省建筑科學(xué)研究院 湖南長沙 410000）

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展和人們住房需求的不斷提高帶動(dòng)著建筑開發(fā)項(xiàng)目的增多，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜。而鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為工程設(shè)計(jì)工作重中之重。本文對(duì)鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些要點(diǎn)進(jìn)行探析，為高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

高層建筑；鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

混凝土作為目前世界上最大的商品之一是因?yàn)榛炷辆哂休^好的延性和較高的強(qiáng)度，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛使用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)環(huán)境要求選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí)。由于在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)人員的不同而導(dǎo)致設(shè)計(jì)風(fēng)格和理念有差異，因此在設(shè)計(jì)過程中會(huì)存在不同的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也會(huì)有所差異。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的原理及特性

廣義上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由在混凝土中配有一定數(shù)量的鋼筋而形成的新型結(jié)構(gòu)。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋主要承受拉力而混凝土主要承受壓力，混凝土和鋼筋共同工作使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗壓和抗拉性能、延性、耐久性等，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到使用要求。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有這些優(yōu)良的性能，尤其在防火性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼結(jié)構(gòu)，因此綜合性價(jià)比較高，工程造價(jià)較低，在工程上被普遍使用。

素混凝土結(jié)構(gòu)是由純混凝土組合而成具有較好的抗壓性能，但是抗拉性能和延性較差，因此為改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉性能和延性需要在混凝土結(jié)構(gòu)中布置鋼筋，極大改善混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能和使用性能，抵抗外部荷載，增加其耐久性能。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要特性表現(xiàn)在其熱脹冷縮和延性等反應(yīng)中。混凝土結(jié)構(gòu)在水泥水化反應(yīng)過程和季節(jié)交替時(shí)的熱脹冷縮過程中使得混凝土具有拉應(yīng)力，混凝土內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生壓應(yīng)力，這時(shí)應(yīng)對(duì)混凝土材料本身進(jìn)行設(shè)計(jì)，改善混凝土結(jié)構(gòu)的收縮性能。通常混凝土的延性和混凝土的強(qiáng)度有著直接關(guān)系，強(qiáng)度越高延性越差，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)工程具體情況選擇不同強(qiáng)度的混凝土。一般的混凝土在-40～60°C時(shí)具有較好的、穩(wěn)定的物理性能，因此在低于或者高于規(guī)定環(huán)境時(shí)應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)采取一定措施防止混凝土凍害或者膨脹破壞。

2 工程概況

本項(xiàng)目位于湘陰縣，為一棟高層綜合樓建筑，主要功能為酒店式公寓和辦公，地上24層，地下1層，共計(jì)25層，建筑主要屋面高度為94.9m，總建筑面積32844m2。本樓設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，該項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)報(bào)告給出的地震影響系數(shù)建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期Tg=0.45s，阻尼比取0.05。該地區(qū)重現(xiàn)期50年的基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，因該樓對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用，即0.495kN/m2。場(chǎng)區(qū)地面粗糙度為B類，風(fēng)壓體型系數(shù)取1.4。墻柱混凝土1～8層為C45，梁板混凝土為C35，9～14層墻柱混凝土為C40，梁板為C35，十四層以上墻柱為C35，梁板為C30，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

3 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)建筑物所在地區(qū)和所擁有的建筑材料采用合理的設(shè)計(jì)，如抗震要求、高度限制、地理環(huán)境要求、對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)等，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)和建筑設(shè)計(jì)有沖突，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)和建筑設(shè)計(jì)綜合考慮，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不失建筑風(fēng)格的美觀又不失結(jié)構(gòu)的安全性能。相對(duì)于建筑設(shè)計(jì)講，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全度，尤其對(duì)于我國而言主要是提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸比例對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行恰當(dāng)劃分，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的橫豎向荷載分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)所承受的多向應(yīng)力。

4 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)體系

本塔樓屬高層建筑，結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，樓面為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板。塔樓在地面以上采用防震縫與裙房完全分開，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。框剪結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)是由框架和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成的新的受力形式，所以它的框架不同于純框架結(jié)構(gòu)中的框架，剪力墻在框剪結(jié)構(gòu)中也不同于剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻。因?yàn)椋谳^低的樓層，剪切位移是小的，則通過彎曲變形曲線鏡框，承擔(dān)大部分的水平剪切力的，上層是相反的，增加的剪切位移，存在通過拉動(dòng)剪切變形幀以外的傾向曲線中，除了產(chǎn)生的水平力的負(fù)擔(dān)載荷幀，而且還附加水平剪切力的額外負(fù)擔(dān)拉回，不僅要承受水平剪切力負(fù)載生成，而且還因?yàn)樵摽蚣苁且粋€(gè)附加的水平力承受負(fù)剪切，因此，即使上層樓，哪怕外荷載樓層的剪力較小，框架也會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的剪切力。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

本塔樓出裙房后建筑平面呈“扇”形，平面尺寸約為60.014m×19.1m，圖1為塔樓典型標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖。根據(jù)本塔樓平面布置特征，在建筑物端部兩側(cè)設(shè)置了鋼筋混凝土剪力墻，并在電梯井及樓梯間處設(shè)置鋼筋混凝土剪力墻一起形成組合抗側(cè)力構(gòu)件。鋼筋混凝土的底部加強(qiáng)部位的高度，從地下室頂板算起，取底部2層和墻體總高度的1/10二者的較大值：即底部加強(qiáng)部位取底部3層，高度為13.3m。

圖1 塔樓典型標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

4.3 消防設(shè)計(jì)

針對(duì)消防方面，首先要優(yōu)化消防結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為確保建筑居民的人身財(cái)產(chǎn)安全，消防設(shè)計(jì)理念以防為主，也可以設(shè)置消防應(yīng)急措施，確保最大程度的消防安全。消防設(shè)計(jì)中防火間距很重要，一定要根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行合理設(shè)置。還要根據(jù)建筑所在地的地形條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高該高層建筑與環(huán)境的協(xié)調(diào)性。為了避免火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的人員疏散問題，一定要設(shè)置合理的疏散通道、防煙區(qū)和緊急避難場(chǎng)所。一要考慮防火墻、防火門和防排煙設(shè)備的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有效合理并且安全可靠的消防結(jié)構(gòu)，以降低高層建筑的破壞程度，保證居住者的人身財(cái)產(chǎn)安全。

4.4 抗震設(shè)計(jì)

對(duì)于地震方面的設(shè)計(jì)，主要是要優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)。抗震問題，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的地位是不可小覷的。高層建筑本身的高度，使得其建筑要求較高，要優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)件位置，使得結(jié)構(gòu)壓力均勻分給每個(gè)構(gòu)件，不會(huì)出現(xiàn)承壓不均而導(dǎo)致地震時(shí)的嚴(yán)重破壞。對(duì)于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也要考慮其材料的安全性能。高層建筑的地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最重要的是對(duì)地基的選擇與設(shè)計(jì)，地基是建筑的根本，一旦發(fā)生破壞，上部結(jié)構(gòu)將無所依靠。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視地基的設(shè)計(jì)，優(yōu)化其抗震能力，設(shè)計(jì)出既節(jié)省材料又安全可靠的地基。以確保建筑物有足夠的強(qiáng)度和剛度抵抗地震的危害。在確保地基的強(qiáng)度后，還要考慮剪應(yīng)力的問題，采取強(qiáng)柱弱梁、加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震構(gòu)造措施、設(shè)置抗震墻等措施來抵抗水平剪力。建筑物在此基礎(chǔ)上還要考慮對(duì)稱性和穩(wěn)定性，盡量減少地震災(zāi)難的影響。

4.5 抗風(fēng)設(shè)計(jì)

抗風(fēng)方面的問題，對(duì)策是優(yōu)化抗風(fēng)結(jié)構(gòu)。抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮多種因素，確保建筑物的抗風(fēng)能力。抗風(fēng)結(jié)構(gòu)中對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)時(shí)要保證在風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定性。確保地基穩(wěn)固的重要性不僅在抗震中有所體現(xiàn)，對(duì)抗風(fēng)載也起到重要作用。減振體系在高層建筑中的應(yīng)用受到廣泛歡迎，減震系統(tǒng)可以減少風(fēng)荷載對(duì)建筑物的影響，減振系統(tǒng)的選材將起到巨大作用，因?yàn)橛行┳枘岵牧系膽?yīng)用將大大提高高層建筑的抗風(fēng)能力。要嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)抗風(fēng)結(jié)構(gòu)，采取措施減小風(fēng)力在建筑物上的疊加和增強(qiáng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減小普遍且危害頗多的風(fēng)壓破壞，為建筑物的安全性能提供安全保證。

4.6 構(gòu)件設(shè)計(jì)

據(jù)內(nèi)力計(jì)算組合結(jié)果，即可選擇各截面的最不利內(nèi)力進(jìn)行梁柱截面設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)公式為S≤R和S≤R/yRE（地震作用參與的組合）。柱的截面設(shè)計(jì)考慮強(qiáng)度、剛度、平面內(nèi)整體穩(wěn)定、平面外整體穩(wěn)定以及局部穩(wěn)定等方面。主梁設(shè)計(jì)模型按多跨連續(xù)梁考慮。截面設(shè)計(jì)考慮強(qiáng)度、剛度、局部穩(wěn)定等方面（由于采用壓型鋼板組合樓板，且有牢靠的連接，故不必驗(yàn)算整體穩(wěn)定），次梁截面按兩端簡(jiǎn)支考慮，由強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定等綜合確定。

4.7 工程地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題

樓層越高，其對(duì)于地基的承載力的要求也就越高，這就意味著越高的樓層對(duì)于地基的要求要就越高，因而在進(jìn)行高層建筑的設(shè)計(jì)時(shí)一定要重視其地基的設(shè)計(jì)。此外鋼筋混凝土建筑的地基基礎(chǔ)還影響著工程的造價(jià)，因而在進(jìn)行高層鋼筋混凝土建筑時(shí)一定要對(duì)于建筑當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)規(guī)章制度加以研究學(xué)習(xí)，以免在設(shè)計(jì)時(shí)由于認(rèn)識(shí)上的不足對(duì)于工程的建筑設(shè)計(jì)造成不必要的影響。高層鋼筋混凝土建筑的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極為復(fù)雜的工程，在設(shè)計(jì)的過程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的遺漏或是失誤都會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案存在問題，會(huì)導(dǎo)致建筑存在安全隱患。

5 結(jié)束語

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要有才能的建筑行業(yè)者努力將施工技術(shù)精益求精，在精確的基礎(chǔ)上，盡量減少地區(qū)差異，將我國建成城市化、國際化的國家。同時(shí)對(duì)具有地方特色的建筑進(jìn)行保護(hù)和傳承。在此，希望各位同行在建筑行業(yè)不斷的總結(jié)出更加科學(xué)的施工技術(shù)，并積極的吸取國外先進(jìn)的施工技術(shù)，向其他同行傳播先進(jìn)的技術(shù)，我們共同進(jìn)步，為我國高層建筑的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。另外，在學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，創(chuàng)新為施工技術(shù)的發(fā)展增添活力，只有不斷創(chuàng)新，才能立于世界高層房屋建筑技術(shù)的前沿。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

TU973+.12

：A

：1673-0038（2015）05-0001-02

2014-12-10

劉曉光（1983-），男，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。