高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及對策研究

李曉允

（鶴山市建筑設(shè)計(jì)院有限公司廣東 江門 529700）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及對策研究

李曉允

（鶴山市建筑設(shè)計(jì)院有限公司廣東 江門 529700）

在我國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)不斷發(fā)展的今天，我國城市化建設(shè)的進(jìn)程也逐漸加快，高層建筑也不斷涌現(xiàn)成為城市發(fā)展的一大標(biāo)志。高層建筑的數(shù)量不斷增多的同時，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的許多問題也越來越明顯。本文在對高層建筑結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行介紹時，通過分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則，針對高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型問題進(jìn)行了闡述，并著重于分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題和對策，提出筆者的相關(guān)建議與思考，以供參考。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；特征；問題；對策

自19世紀(jì)以來出現(xiàn)了現(xiàn)代高層建筑，隨著社會的進(jìn)步人類的發(fā)展，如今，在人們的生活中高層建筑越來越成為了不可或缺的一部分。高層建筑的結(jié)構(gòu)本身具有一定的復(fù)雜性，對設(shè)計(jì)人員提出更高的要求，設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)不僅要具有很好的抗震、抗風(fēng)性能，同時還要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且高層建筑的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也要滿足一定的科學(xué)性和合理性。

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

1.1結(jié)構(gòu)延性——重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)

相較于低層建筑，在地震過程中，高層建筑結(jié)構(gòu)變形更嚴(yán)重，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，高層建筑與低層建筑相比要更加柔和一點(diǎn)。為了防止高層建筑的倒塌，且在建筑進(jìn)入塑性變形階段后，不會引起結(jié)構(gòu)整體明顯的變形，并且能保證結(jié)構(gòu)的延伸性，因此，在設(shè)計(jì)時，應(yīng)該針對具體問題，制定具體的方案。

1.2不可忽視的軸向變形

由于高層建筑結(jié)構(gòu)自重很大，會發(fā)生明顯的變形，從而在柱中使軸向變形加劇，導(dǎo)致跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩增加，而連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩則會變小[1]。另外，影響結(jié)構(gòu)軸向變形的因素很多，例如側(cè)移、構(gòu)件剪力以及豎向變形等，都會對結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生直接的影響，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，應(yīng)該合理控制構(gòu)件的下料長度。此時，我們需要通過精確的計(jì)算，確定最終的構(gòu)件下料長度。

1.3決定因素為水平荷載

當(dāng)我們要建造一定樓層的建筑時，其豎向荷載時定制的，水平荷載中的地震和風(fēng)荷載作用，都會因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動力特性的不同其數(shù)值也會發(fā)生不同程度的幅度的改變；高層建筑結(jié)構(gòu)所承受的力矩，受到水平荷載和豎向構(gòu)件軸力兩方面因素的影響，且呈現(xiàn)正比例關(guān)系。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)該保證高層建筑的水平荷載彎矩、和軸力與建筑高度一次方呈正比例關(guān)系。

2　高層建筑物建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

2.1設(shè)計(jì)方案時要合理進(jìn)行

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時，怎樣才具有合理性，首先建筑結(jié)構(gòu)體系和建筑結(jié)構(gòu)形式上一定要滿足高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，還要以節(jié)約成本為前提下做出最合理的設(shè)計(jì)方案[2]。建筑結(jié)構(gòu)體系的基本要求就是需要傳力簡單和受力明確，當(dāng)所建造的建筑具有相同的結(jié)構(gòu)單元時，我們必須參考以前的范例，選擇相同的建筑結(jié)構(gòu)體系。除此之外，在選擇合理化的建筑結(jié)構(gòu)方案的同時，更應(yīng)該將建筑施工的材料、建筑施工的條件、建筑工程設(shè)計(jì)的需求以及建筑的地理位置條件等考慮在內(nèi)，綜合性分析所有要求，作出最合理的設(shè)計(jì)方案。

2.2基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的合理進(jìn)行

我們必須對每個建筑的地理位置、地質(zhì)地貌、相鄰建筑物的影響等進(jìn)行綜合分析，因?yàn)槊總€建筑的這些因素都不一樣，通過綜合分析最合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)才會出現(xiàn)。除此之外，建筑物荷載以及建筑物上部的結(jié)構(gòu)類型都受基礎(chǔ)設(shè)計(jì)好與壞的影響，特別對于高層建筑物，其更需要將建筑物荷載的分布情況考慮在內(nèi)。與此同時，該高層建筑基礎(chǔ)通過對臨近建筑物地基的附加應(yīng)力的影響從而會導(dǎo)致臨近建筑地基也發(fā)生變形的現(xiàn)象，最終發(fā)生工程事故。這些都是我們在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中不可忽視的。

2.3計(jì)算簡圖設(shè)計(jì)的合理進(jìn)行

只有正確計(jì)算的數(shù)據(jù)才能保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性，這里我們提到計(jì)算，那么就出現(xiàn)了我們在設(shè)計(jì)中用到的計(jì)算簡圖，如果我們在設(shè)計(jì)計(jì)算簡圖時產(chǎn)生了不合理的設(shè)計(jì)，我們所計(jì)算出的結(jié)果的準(zhǔn)確性也會受到很大的影響，更嚴(yán)重的情況下會出現(xiàn)錯誤的計(jì)算結(jié)果，錯誤的計(jì)算結(jié)果會對建筑物造成相當(dāng)嚴(yán)重影響，從而使建筑的安全性得不到保障。為保證計(jì)算簡圖對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及建筑物以后使用中的安全性沒有任何影響，應(yīng)該在實(shí)踐中通過采取相應(yīng)的構(gòu)造措施來避免問題的發(fā)生。

3　高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系是建筑的結(jié)構(gòu)在抵抗來自于水平方向和豎直方向的荷載時構(gòu)件的組成形式和傳力的路徑[3]。通過屬于豎向構(gòu)件的墻體，柱等和屬于水平構(gòu)件的樓蓋等將豎向荷載一直傳遞到建筑基礎(chǔ)，同時為了將水平荷載傳遞到基礎(chǔ)，建筑采用利用了抗側(cè)力體系。

我們可以根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的材料將高層建筑的結(jié)構(gòu)體系分為四類：一種是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系是運(yùn)用最廣泛的一種，具有由混凝土和鋼筋一起受力的特點(diǎn)，而且在實(shí)際施工中具有成本低，抗壓持久，防火等優(yōu)點(diǎn)，從整體上看，其性能十分優(yōu)良，但是也同時存在豎向力比較大，不能很好的延伸，施工進(jìn)程緩慢的缺點(diǎn)；另一種是具有強(qiáng)度高，強(qiáng)抗震性，實(shí)際施工操作方便，延展性強(qiáng)和用途多等優(yōu)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)體系，但這種結(jié)構(gòu)同時也具備建造成本高，不能有效防火等缺點(diǎn)；另外兩種結(jié)構(gòu)體系分別是鋼、混凝土混合結(jié)構(gòu)體系和鋼、混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，其中，鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系在具有鋼筋混凝土構(gòu)件和鋼構(gòu)件長處的同時，鋼構(gòu)件的材料強(qiáng)度也得到了增加。

目前常見的高層建筑結(jié)構(gòu)分為三種，按照結(jié)構(gòu)形式，即一種是框架結(jié)構(gòu)體系，另一種是剪力墻結(jié)構(gòu)體系，還有一種是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)該堅(jiān)持一個原則，即梁、柱為結(jié)構(gòu)的主要承載物，且承受結(jié)構(gòu)自重荷載。所以，在設(shè)計(jì)時，應(yīng)該充分考慮結(jié)構(gòu)變形和側(cè)向位移問題。同時，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力大的特點(diǎn)，使之適用于不大于50m高度的建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)體系就是將高層建筑的墻體作為抵抗側(cè)力和豎向承重的結(jié)構(gòu)體系。由于剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度大，整體性能好，不容易因?yàn)樗阶饔昧Χl(fā)生變形現(xiàn)象，所以比較適合應(yīng)用在高層建筑中，但是剪力墻結(jié)構(gòu)也有不足之處，因?yàn)槠溟g距小，所以不能靈活的布置平面。

4　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題以及相應(yīng)的措施分析

4.1建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)范性問題

我國將建筑物的安全放在重點(diǎn)關(guān)注的對象中，所以高層建筑的工程項(xiàng)目就多了很多限制因素。我們需要做的就是對高層建筑工程項(xiàng)目中可能存在一些安全隱患進(jìn)行必要的預(yù)防與控制[4]。舉個例子：在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的下層和上層剛度結(jié)構(gòu)比有限制性的規(guī)定。而且，在國家最新頒布的規(guī)范中，明確的指出不規(guī)則的建筑設(shè)計(jì)方案不能在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被采用，所以，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格的按照新出每一條規(guī)范來對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免發(fā)生危險(xiǎn)事故。

4.2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)短肢剪力墻設(shè)置問題

在新規(guī)范中，墻肢截面高度與厚度之比為5～8則墻定義為短肢剪力墻，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了許多限制，在設(shè)計(jì)高層建筑中時，避免這些限制因素給設(shè)計(jì)增加的一些不必要的困難，結(jié)構(gòu)工程師通常使用的都不是短肢剪力墻。

4.3結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題

在這一方面，新的規(guī)范有了較大的改動，使限制條件增加了不少。如：嵌固端上下層剛度比以及平面規(guī)則性等等有了不少限制。除此之外，新規(guī)范中強(qiáng)制規(guī)定建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案，為了使后期施工圖的設(shè)計(jì)階段工作順利快速地進(jìn)行，結(jié)構(gòu)工程師一定要對個方面進(jìn)行綜合分析，按照新規(guī)范里的各項(xiàng)條款進(jìn)行工作。

4.4結(jié)構(gòu)超高的問題

在高規(guī)范以及抗震規(guī)范中，對結(jié)構(gòu)的總高度是有非常嚴(yán)格的限制的，尤其是超高的問題，不僅在新規(guī)范中增加了B級高度，而且原來的限制高度被設(shè)定為A級高度，致使設(shè)計(jì)方法和處理措施在相應(yīng)程度上都有很大的變動[5]。由于忽略了該問題而造成不能使施工圖通過審查的現(xiàn)象，我們就必須要開專家會議進(jìn)行論證或重新設(shè)計(jì)，這樣不僅工程的工期被延誤，也會影響工程的整體規(guī)劃。

4.5嵌固端的設(shè)置問題

一般高層建筑配有大于一層的地下室或者人防。而高層建筑的地下室的頂板或者人防的頂板等位置設(shè)有嵌固端[6]。所以，結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時，要著重注意嵌固端的設(shè)置可能帶來的不便。將嵌固端的樓板的設(shè)計(jì)和固端上層和下層的剛度比進(jìn)行綜合分析，此外，嵌固端上層和下層的抗震等級要一致；在設(shè)計(jì)人員對高層建筑進(jìn)行整體計(jì)算時，應(yīng)合理對嵌固端進(jìn)行設(shè)置，在設(shè)置嵌固端所放位置時要綜合考慮高層建筑結(jié)構(gòu)抗震縫隙設(shè)置。

5　結(jié)束語

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程是長久和復(fù)雜的，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象或錯誤都會讓整個設(shè)計(jì)變得更加困難或?qū)е略O(shè)計(jì)結(jié)果的安全性得不到保障。我們只有把每個問題都考慮全面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性才有保證。

[1]張政.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題和策略分析[J].價(jià)值工程，2014（16）：161～162.

[2]孫文波.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些特殊問題的分析處理[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，29（7）：74～78.

[3]劉偉瓊.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（3）：270.

[4]李汝偉.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾個問題[J].城市建設(shè)理論研究，2014（12）.

[5]李亞.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及解決路徑研究[J].城市建設(shè)理論研究，2014（10）.

[6]姚鵬正.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)探析[J].城市建設(shè)理論研究，2014（12）.

TU318

A

1673-0038（2015）18-0001-02

2015-3-17

李曉允（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。