鋼筋混凝土高層結構設計中常見問題探討

吳澤亮

（成都西南交通大學設計研究院有限公司　四川　成都　610000）

鋼筋混凝土高層結構設計中常見問題探討

吳澤亮

（成都西南交通大學設計研究院有限公司四川成都610000）

隨著我國高層建筑的不斷被建成，高層建筑的結構設計慢慢成為了結構工程師在設計工作過程中的主要重點以及難點所在。本文依據鋼筋混凝土高層結構設計的大量工程實踐，針對鋼筋混凝土高層結構設計過程中的概念設計、地基以及基礎設計、結構分析與計算等幾個方面，對最近幾年以來高層建筑結構設計過程中的一些常見問題進行了總結，以期為高層建筑結構設計與分析提供一定的參考。

高層結構設計；概念設計；地基與基礎設計；結構計算

引言

我國現階段的建筑行業得到快速的發展，一大批高層結構的建筑群大量涌現，這就使高層建筑的建筑材料、施工技術以及設計理念都發生了巨大的變化[1]。鋼筋混凝土結構作為現代建筑較為普遍采取的一種結構形式，擁有很多的優點，比如說穩定性高、強度大、抗震性能好以及耐久性強等，使得其在現階段高層建筑結構中的應用越來越廣泛[2]。為了達到高層建筑中實際鋼筋混凝土結構的需求，則結構設計顯得尤為重要。所以，對鋼筋混凝土高層結構設計過程中存在的問題進行探討，了解并掌握設計過程中經常可能面臨的重點和難點，同時采用合理科學的措施來提高和完善鋼筋混凝土高層結構設計，只有這樣才能在最大程度上提升鋼筋混凝土高層結構的設計質量[3]。

1　概念設計

建筑結構設計不僅需要滿足建筑工程使用功能以及實際效果，必須還具有很好的質量保障，這一環節也是建筑結構中最為重要的環節。在現階段高層結構設計過程中，有人提出了“概念設計”這一理論，實際上建筑結構的概念設計是一種提升結構抗震性能的設計方法。在進行設計時，選擇優質合理的結構設計方案有利于建筑整體的抗震性能。針對結構設計的每一個延性構件，都需要對其實施具體的分析。同時還需要采用對應的解決手段，防止一些薄弱層發生損壞的現象。在進行高層結構設計時，我們強調概念設計同樣說明其重要性。在進行工程設計過程中結構工程師必須嚴格根據規范和標準的要求進行設計，同時還需要了解有關結構概念的相關原則，從宏觀上杜絕出現計算失誤或者設計失誤的情況，確保工程的本質安全。

1.1高寬比的規定

高寬比的規定對于高層建筑結構而言，其是對結構抗傾覆能力、整體剛度、經濟合理性、承載能力以及整體穩定的宏觀控制指標，是在總結長期工程經驗的基礎上提出來的，從當前絕大部分A級高度高層建筑看來，采用這一限值是比較經濟合理且非常實用的。實施上很多學者對結構穩定、側向位移、承載能力、抗傾覆能力等性能的規定也在一定程度上體現了對結構高寬比的限定。當滿足上述這些規定的時候，則高寬比的規定便不再是一個必須滿足的條件，也不再是判斷結構是不是規則，并當作超限高層建筑抗震審查指標之一，需要注意的是規范的用詞為“不宜超過”。但是在實際工程中已經存在很多超過高寬比限制的例子，比如說上海金茂大廈為88層，高度為420m，它的高寬比是7.6，位于深圳的地王大廈為81層高度為320m，其高寬比是8.8。如果實際情況超過了限制，則需要對結構實施更加精確更符合實際情況的分析計算與切實可靠的構造措施。

1.2合理科學的布置抗側力構件

在一個完全獨立的結構單元內部，應該盡量防止有狹長的縮頸部位以及應力集中的凹角；同時還不能在端部和凹角處設置樓梯間以及電梯間；降低地震影響下的扭轉效應。豎向體型盡可能防止外挑，但是內收也不應該過多或過急，結構承載力以及剛度沿房屋高度應該保持連續、均勻分布，防止結構出現的軟弱以及薄弱部位。應該盡量防止由于部分構件或結構的破壞而造成整個結構失去對重力荷載的承載力或者抗震能力。應該結合實際情況，結構單元之間必須遵循有效分離或牢固連接的方法。高層建筑的結構單元還應該采用加強連接的方法。

1.3嵌固端的設置相關問題

在進行高層建筑結構計算分析以前首先必須明確結構嵌固端所處的位置，但是嵌固端的選擇卻有著各種各樣不同情況，比如沒有地下室但是基礎埋深卻很大；不設地下室但是樓層層數有多有少，同時基礎形式不一樣等。需要結合以上的一些實際情況合理選擇其結構嵌固端，這是高層建筑結構分析計算模式中的一個非常重要假定，它不但影響著結構中部分構件內力分配的精確性，同時還關系到結構產生側移的真實性和結構局部的經濟性，所以，在此問題上，有關的結構設計工程師必須注意如下幾點：嵌固端上下層之間剛度比的限制、嵌固端樓板的設計、在進行結構整體計算過程中嵌固端的設置、嵌固端上下層之間抗震等級的一致性、嵌固端位置的協調以及結構抗震縫設置等有關問題，如果忽略以上中的其中任何一點都可能會造成后期設計工作的幅度較大的修改甚至是埋下安全隱患。

1.4短肢剪力墻的設置相關問題

所謂短肢剪力墻指的是對墻肢截面高厚比為5～8的墻，并且根據實際經驗以及實驗數據，在高層建筑中應用短肢剪力墻是需要增添更多的限制，所以，在進行高層建筑設計時，結構工程師應該盡量少采取或是不采取短肢剪力墻，以防止給后期設計工作增添不必要的麻煩。

2　地基和基礎設計

地基和基礎設計一直以來都是結構工程師非常重視的方面，不單單是因為這一階段設計過程的好壞會對后期設計工作的進行造成直接影響，同時，也是由于地基和基礎它是整個工程造價的重要決定性因素。所以，針對這一階段所發生的問題很有可能非常嚴重甚至導致無法估量的損失。

在進行高層建筑的基礎設計過程中，應對建筑場地的水位以及地質狀況、使用功能、上部結構類型、相鄰建筑的相互影響以及施工條件等個方面進行綜合考慮，以確保建筑物不至于發生太大的沉降或者傾斜，同時還應該能符合正常使用要求。還應該注重掌握相鄰各類地下實施以及地下構筑物的標高和位置，以確保基礎的安全，進而使得施工中不出現問題。在進行地基基礎設計時還需要注重地方性規范的重要程度問題。由于我國地域比較廣闊，地質條件多變并且相當復雜，僅僅一個《地基基礎設計規范》這一個國家標準遠遠不能滿足全國各地的地基和基礎設計的要求。所以，地方標準作為國家標準的補充。地方有關的地基基礎設計規范可以把每個地方的地基基礎設計處理方法以及類型等一些相對比較成熟的經驗規定和描得更為準確和詳細。因此，在地基基礎設計過程中，一定要深入學習地方規范，以防止對后期設計工作或者整個結構設計產生較大的影響。

3　結構分析與計算

隨著科學技術的不斷發展，現階段高層建筑的結構計算分析差不多都是采用計算機軟件來進行，但是計算機軟件還無法全部代替設計人員的設計理念。在實施計算前后，設計人員需要對軟件的適用范圍以及計算原理有一個清楚的認識。在結構分析與計算階段，怎樣高效、準確地對工程實施內力分析同時根據規范要求進行處理和設計，這是影響工程設計質量好壞的關鍵所在。

3.1結構整體計算可使用的軟件

現階段比較常用的計算軟件主要有：SATWE、TAT、TBSA或ETABS、SAP等。但是，因為每個軟件所使用的計算模型不是完全一樣，所以造成了每個軟件的計算結果存在或多或少的差異。因此，在進行工程整體結構分析與計算時需要根據計算軟件模型的特點以及結構類型選取合理的計算軟件，并從根據不同軟件計算相差很大的計算結果中，判定哪個是較為合理的、哪個是能夠作為參考的，哪個是沒有意義的，這一點是結構工程師在進行設計工作是需要重點關注的工作。不然如果選擇計算軟件時不合適，不僅會浪費大量的精力和時間，還會使得結構存在不安全的隱患。

3.2周期折減系數

一般情況下在高層結構中都會設置非結構的砌體填充墻，在進行結構計算時應該充分考慮它對主體結構的影響。周期的折減應該考慮到門窗洞口的設置可能對周期的影響。填充墻的多少以及不同的結構類型決定了周期折減系數取值大小，并不可以一概而論。

3.3振型數目是不是足夠

陣型數的多少由結構的層數決定，所以，在分析計算階段需要依據規范要求對有關的計算結果進行判定，并決定是不是需要調整振型數目的取值。

3.4多塔各地震周期之間的相互干擾，是不是要分開計算

近年來，多塔樓、大底盤的高層建筑類型涌現較多，針對該類型高層建筑進行計算分析時，是將結構視為一個整體并且按多塔類型實施計算，還是把結構進行分開計算，這一點是結構工程師一定需要關注的問題。如果多塔之間的剛度相差比較大，就很有可能發生即使振型參與系數符合要求，但是針對某座塔樓的地震力計算其誤差還是有可能非常大，進而使得結構出現不安全的隱患。

3.5非結構構件的設計與計算

在進行高層建筑設計時，通常存在出于功能要求或者建筑美觀并且非主體承重骨架體系之內的非結構構件。針對這部分的內容，特別是對高層建筑屋頂處的裝飾構件實施設計時，因為高層建筑的地震影響以及風荷載都非常大，所以，一定要嚴格根據規范中的有關非結構構件的計算處理手段進行設計。

4　結束語

鋼筋混凝土高層結構設計作為一項復雜并且長期甚至是循環往復的過程，在這個過程中，出現任何的錯誤或者遺漏都很有可能使得整個設計過程更加復雜甚至使得設計結果產生不安全因素。所以，針對所有的過程都必須實施認真地計算與分析，同時還需要進行不斷地優化設計，只有這樣才能最終達到滿意的結果。

[1]黃智勇，郭顏鳳.鋼筋混凝土高層結構設計常見問題探討[J].江西建材，2010（20）：151.

[2]厲寬松，徐勤，劉運林.鋼筋混凝土高層結構設計中常見問題探討[J].工程與建設，2007，21（5）：723～724.

[3]劉廣明.淺談鋼筋混凝土高層結構設計幾個常見問題[J].企業研究，2012（24）.

TU973.12

A

1673-0038（2015）30-0016-02

2015-6-28

吳澤亮（1976-），男，工程師，大學本科，主要從事建筑結構設計工作。