高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題及對策探討

張 雷/承德市建筑設(shè)計研究院有限公司

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高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題及對策探討

張 雷/承德市建筑設(shè)計研究院有限公司

【摘 要】隨著我國高層建筑的不斷發(fā)展，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求越來越高。本文分析了高層建筑的結(jié)構(gòu)特征，并重點分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及對策，可以為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考和依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；嵌固端；超高；剪力墻

一、高層建筑結(jié)構(gòu)的特征

高層建筑結(jié)構(gòu)不但承受著由于外界的風(fēng)產(chǎn)生的水平方向的荷載，同時也承受著在垂直方向的荷載，并且對于地震的抵抗能力也有要求。一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)受到低層建筑結(jié)構(gòu)水平方向上的影響比較弱，然而在高層建筑中，外界地震的影響和外界風(fēng)產(chǎn)生的水平方向的荷載影響是主要的影響因素。隨著建筑物高度的增加，高層建筑的位移增加較快，但是高層建筑過大的側(cè)移不但影響人的舒適度，同時使得建筑物的使用受到影響，并且容易損壞結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。基于此，在設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)時，要控制側(cè)移在規(guī)定的范圍之內(nèi)，所以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

（一）短肢剪力墻設(shè)置存在問題

當前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中存在諸多問題，其中的一些問題會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的損害，甚至是致命的，其中最為典型的當屬短肢剪力墻的不合理設(shè)置。有很多高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程都出現(xiàn)過增設(shè)短肢剪力墻的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的發(fā)生導(dǎo)致高層建筑在后續(xù)的使用過程中的穩(wěn)定性和安全性大打折扣，整個高層建筑的斷肢剪力墻的抗震能力都會受到影響，因此高層建筑的后期的長時期使用過程中將會存在安全隱患。

（二）嵌固端設(shè)置存在問題

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，嵌固端在工程結(jié)構(gòu)中扮演著非常重要的角色，因此嵌固端的設(shè)計也是至關(guān)重要的，當前嵌固端的設(shè)計主要存在以下幾個方面的問題：

一是嵌固端位置選擇問題，一些高層建筑在嵌固端位置選擇方面存在著較大的問題，尤其是一些高層建筑將其選擇在地下室或者人防頂板處，這種設(shè)計模式及其的不科學(xué)，存在重大安全隱患，對于其效果的發(fā)揮是極為不利的；二是嵌固端上下層剛度設(shè)計的比例大小不夠合理，上下層剛度比例大小是嵌固端設(shè)計是否合理的一項重要因素，當前的一些嵌固端設(shè)計中存在著較大的計算誤差或者其他設(shè)計問題；三是嵌固端的設(shè)計過程中，一個比較棘手的問題是同抗震縫隙的處理存在較大的難度，彼此之間很難協(xié)調(diào)，這個問題勢必會引起整個高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠性。

（三）超高問題

超高也是當前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計所面臨的一個非常棘手的問題，所謂的超高問題指的是一些高層建筑建設(shè)單位基于經(jīng)濟利潤的考慮，無視相關(guān)的文件制度以及設(shè)計規(guī)范，人為地增加高層建筑高度。但站在另一個角度考慮，這種做法違反了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，使得高層建筑的穩(wěn)定性和抗震能力有所下降，一旦遭遇地震、強風(fēng)天氣或者其他自然災(zāi)害，就極易發(fā)生危險，甚至導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌或者斷裂。

三、高層建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的解決對策

（一）選擇合理的高層建筑結(jié)構(gòu)方案。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案必須滿足經(jīng)濟性的要求，并且要滿足結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系的要求。結(jié)構(gòu)體系的要求是受力明確，傳力簡單。在相同的結(jié)構(gòu)單元當中，應(yīng)該選擇相同結(jié)構(gòu)體系，如果高層建筑處于地震區(qū)，那么應(yīng)力需要平面和豎向的規(guī)則。在進行了地理條件，工程設(shè)計需求，施工條件，材料等的綜合分析的基礎(chǔ)上，并和建筑包括水，暖，電等各個專業(yè)的相協(xié)調(diào)的情況下，選擇合理的結(jié)構(gòu)，從而確定結(jié)構(gòu)的方案。

（二）剪力墻的優(yōu)化。在其它建筑中，原來框架結(jié)構(gòu)中起承受水平和豎直兩個方向的力的構(gòu)件是梁柱，而在高層建筑中取代梁柱來承受水平和豎直兩個方向的力的是剪力墻體系結(jié)構(gòu)。剪力墻體系結(jié)構(gòu)是一種混凝土材質(zhì)的土墻結(jié)構(gòu)，不僅可以直接承受水平和豎直的力，對于其它結(jié)構(gòu)的水平載荷也可以起到調(diào)節(jié)作用。因此，不斷優(yōu)化剪力墻的結(jié)構(gòu)對于整個高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的進度和安全性都有著巨大的影響。在進行剪力墻結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化的時候，需要注意剪力墻設(shè)計中的連梁的設(shè)計是很重要的一部分。高層建筑設(shè)計人員可以把連梁之間的各個墻體連接起來而形成聯(lián)肢墻。這種設(shè)計可以使得墻肢的約束條件增加，從而使墻體的各個部分都得到了更多的內(nèi)力，十分有效的提高高層建筑的抗震能力。但是這種做法的缺點在于對于投資商來說造成了不必要的浪費，然而對于整個高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性來說絕對是利大于弊的。

（三）平面及立面的選擇。在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，“三心合一”是一個重要的概念。“三心合一”指的是高層建筑整體的幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心盡可能地在空間中交匯于一個點。如果不能在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中做到“三心合一”，那么整個高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計就會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問題。扭轉(zhuǎn)問題會在風(fēng)載等水平載荷的作用下對高層建筑的相應(yīng)結(jié)構(gòu)造成嚴重危害，繼而影響到整個高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了防止扭轉(zhuǎn)問題對于整個結(jié)構(gòu)的危害，設(shè)計人員在設(shè)計時應(yīng)該盡可能的使高層建筑整體達到“三心合一”的狀態(tài)，要選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局。因此，在選擇平面和立面形式的時候，對高層建筑的平面要選擇比較簡單的形式，便于設(shè)計人員在進行計算和設(shè)計的時候條理清晰、不易混淆。大量的資料表明，對稱結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，更容易在地震中保持安全，因此，選高層建筑的平面形式時要多選結(jié)構(gòu)簡單、線條規(guī)則、更加對稱的平面形式。

（四）高層建筑結(jié)構(gòu)存在著超高的問題。基于高層建筑抗震的要求，我國的建筑規(guī)范對高層建筑的結(jié)構(gòu)的高度有嚴格的規(guī)定，針對高層建筑的超高問題，在新規(guī)范中不但把原來限制的高度規(guī)定為A級高度，并且增加了B級高度，使得高層建筑結(jié)構(gòu)處理設(shè)計方法和措施都有了改進。實際工程設(shè)計中，對于建筑結(jié)構(gòu)類型的改變對高層超高問題的忽略，在施工審圖時將不予通過，應(yīng)該重新進行設(shè)計或者進行專家會議的論證等。在這種情況下，整個建筑工程的造價和工期都會受到極大的影響。

（五）高層建筑結(jié)構(gòu)計算簡圖的選擇。在對高層建筑進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候首先要進行結(jié)構(gòu)計算，而結(jié)構(gòu)計算一般需要選擇一種計算簡圖，在選擇的計算簡圖上進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算。如果在一開始的時候就選擇了不合理的簡圖，那么在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候就容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理的問題。因此，如果能在一開始就選擇了一個合理的高層建筑結(jié)構(gòu)計算簡圖，那么對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計會是一個重要的保障，同樣的，合適的構(gòu)造方法應(yīng)該和相應(yīng)的計算簡圖的方法匹配。重要的是，在實際高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，計算簡圖的結(jié)構(gòu)節(jié)點不應(yīng)只是鋼節(jié)點或者鉸節(jié)點，需要保證計算簡圖的誤差在相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定范圍內(nèi)。

四、結(jié)語

綜上，當前我國城市化進程不斷加快，高層建筑項目工程越來越多，施工難度越來越大，因此高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須盡職盡責(zé)，切實采取科學(xué)合理的設(shè)計方案，為高層建筑結(jié)構(gòu)提供安全保障，只有這樣才能保障工程項目在竣工后投入使用的過程中的安全性。

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