關于高層建筑結構設計的若干問題探討

莫承品

【摘要】隨著經濟的快速發展，高層建筑已經成為我國建筑業的主要設計結構，在今后的城市化進程中一定會有更加良好的發展態勢。文章主要闡述了高層建筑的常見的問題，并提出了一些解決對策。

【關鍵詞】高層建筑；結構設計；問題；對策

1.高層建筑結構設計選型

高層建筑結構體系作為抵抗水平和垂直方向荷載的傳力途徑，借助抗側力體系及配套的水平構件與豎向構件向基礎部分傳遞荷載。從建筑材料特點來看，高層建筑結構主要有鋼結構、鋼筋混凝土結構、鋼混組合結構三種結構。其中，鋼結構高層建筑除了強度高以外，還具有良好的抗震性能，施工技術簡易，但是造價相對較高，耐火性能差。鋼筋混凝土結構耐火耐腐蝕，造價低，但自重大，施工流程繁瑣，質量管理極易出現漏洞。鋼混組合結構高層建筑雖然巧妙規避了二者的缺陷，但節點處施作流程繁瑣，鋼筋與鋼材的連接方面有技術缺陷，不能大面積推廣應用。高層建筑結構體系有剪力墻結構、框架結構以及框架-剪力墻組合結構。其中，框架結構的承重部件是梁柱結構，結構體系會產生大的側向位移，因而建筑物高度一般不能超過50m。剪力墻結構靠高層建筑墻體承重，可有效防止水平方向的形變，保證整體結構的性能符合建筑要求，因而常被用在高層建筑施工中。框架、剪力墻組合結構則整合了二者的比較優勢，并且針對二者的技術缺陷進行改進，因此也是高層建筑常用結構。

2.高層建筑結構設計常見的問題

2.1 樓層平面剛度

樓層平面剛度一直是高層建筑結構設計環節比較棘手的問題。設計人員對高層建筑樓面平面剛度沒有一個直觀的認識，在設計上只是根據數學力學模型設計樓板變形計算程序，計算后所得數據往往差強人意。鑒于此，要采用結構設計的方式來設計建筑結構，前期必須妥善處理一些問題，稍有不慎就可能產生不安全因素，嚴重者還可能破壞建筑結構的安全性能。

2.2 抗震結構設計問題

對于高層建筑來說，在對其結構設計的過程中最為重要也是最難實施的環節就是其抗震結構的設計，因為高層建筑特點，使得其在地震發生過程中可能會存在很多不確定的因素，而在目前建筑結構設計的過程中，也沒有對當地震發生時如何有效的進行避震以及其可能帶來的破壞性進行足夠的考慮。而如果在設計的過程中沒有對高層建筑的相關抗震數據較為精確的分析，且不能夠根據地震發生原理為依據進行相應的設計，則很有可能由于高層建筑抗震性能的不足而存在一定的安全隱患，從而對人們的生命財產安全造成嚴重的威脅。

2.3 嵌固端設置問題

目前，大多數高層建筑物設有兩層或兩層以上的人防或者地下室。高層建筑物的人防及地下室的頂板上都要設置嵌固端。此時，高層建筑結構設計就要考慮嵌固端設置可能造成的問題。在進行結構計算時，要考慮嵌固端設計對計算參數的影響，全面考慮其可能造成影響的多種可能，有效協調高層建筑結構抗震縫的寬度及縫隙與嵌固端的位置，并將嵌固端的上層和下層對應的剛度比值控制在規范要求的范圍內。此外，在進行高層建筑結構設計時，要為嵌固端樓板設計合理的位置。在進行嵌固端的設計時，要綜合考慮各方面因素，選擇最優的設計方案，盡可能避免其在高層建筑結構使用過程中出現安全問題。這樣，在確保結構安全的前提條件下，有助于促進建筑工程項目的順利完工。

2.4 底層框架一剪力墻砌體結構挑梁裂縫問題

底層框架剪力墻砌體結構系一類高層建筑。它的上部是多層砌體結構，底層為框架剪力墻結構。在城市建筑中，分布在市區主干道上的大型商場、寫字樓和住宅小區多采用高層建筑設計，以提高土地資源利用率，降低空間成本。但設計人員追求建筑使用面積，使二層往上的部分橫墻采用了懸挑梁設計，使得底層框架一剪力墻砌體結構梁開裂。

2.5 高層建筑結構設計扭轉問題

在建筑設計中，有一“建筑三心”的概念。“建筑三心”即為幾何形心、剛度中心和結構重心。設計師應秉承三心合一的原則設計建筑結構，就是使這三點歸于一點。如果建筑結構存在結構扭轉的問題，就說明“建筑三心”未能歸一點，使得整體結構承受水平荷載而產生扭轉振動現象。

3.高層建筑結構設計問題應對策略分析

3.1 主梁若有次梁則增設附加筋

高層建筑結構中主梁需要增設附加筋。附加筋分為箍筋和吊筋。附加筋按照設計和施工要求來增設，建筑結構梁截面、下部集中荷載處由橫向鋼筋荷載力負擔，將一附加筋裝于梁上部，水箱下部則須先施作墊梁，再安裝附加筋。如果主、次梁截面無較大差距，但次梁荷載較大，也需要設置附加筋。但是如果次梁截面小，主梁又高，受力滿足計算要求，可無需另設附加筋。

3.2 平面與立面選擇

上文提到，應該秉承建筑三心合一的原則設計高層建筑結構。施工時，如果無法滿足這個要求，結構將會產生扭轉的問題，處理起來相當棘手。建筑結構扭轉系一種結構設計缺陷，其危害不言而喻。選擇立面和平面時需要注意幾個問題。首先，平面力求簡單、規則、對稱。對完全對稱高層建筑結構，則要按設計要求調節一些重要節點的比例。切記一點：比例不宜過大過小，出現問題要盡快補救。在豎向布置上，注意剛度均勻、連續，以防結構出現軟弱層，剛度突變。在建筑設計中，切莫為了達到審美效果而將剪力墻切斷，降低建筑物的剛度，否則將可能產生嚴重的安全事故。

3.3 水平位移控制

水平位移現象在高層建筑設計中極為常見。設計高層建筑結構時，應根據結構的安全要求設計水平位移數值，同時要兼顧周期與地震因素。應按彎曲型設計剪力墻位移線，切忌設計成剪切型。相對而言，框架結構位移曲線則是剪切型。假設是混合式建筑構造，那么位移曲線也應是相結合的。

3.4 高層建筑結構設計扭轉問題

水平荷載能使建筑物產生扭轉破壞現象。設計建筑結構時，為規避這一現象，必須按“三心合一”的原則對建筑物的結構、平面布局進行周密的布置。水平荷載的質量分布在一定程度上決定了它對高層建筑結構造成的扭轉破壞程度。為了確保水平荷載沿樓層平面均勻分布，最大限度規避扭轉振動破壞，建議多使用矩形、方形等平面設計。當然，必須兼顧城市道路景觀規劃。因此，高層建筑不可能全部是方方正正的平面構造，也要根據城市規劃和道路景觀布局適當采用十字形、T 形或L 形等復雜建筑形式。但至少要明確一點，就是凸出部分的厚度與寬度的比值不得超限，并且盡量采用對稱的平面結構。

結束語

高層結構設計可以說是一個與實際緊密結合的過程，決不能脫離實際而進行，在設計過程中，要綜合考慮建筑工程所在地的地理環境、水文土質、抗震等級等，在參考規范的基礎之上，通過借鑒其他成功案例的經驗，合理安排建筑體從地下到地上，從主體到部分的結構，使建筑結構設計既符合外觀的視覺享受，又達到主體的結構安全實用性。

參考文獻

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