高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及對策分析

劉有權(quán)

摘? 要：在當(dāng)前社會快速發(fā)展的新形勢下，建筑功能日趨多樣化，建設(shè)用地越發(fā)緊張，在這種情況下，高層建筑迅速發(fā)展起來。相較于普通建筑，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大。特別是當(dāng)前新的設(shè)計計算理念的發(fā)展及較高強(qiáng)材料的開發(fā)，這也給高層結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。高層建筑體系由于需要承擔(dān)較大的垂直荷載、風(fēng)荷載及震力等，當(dāng)建筑高度越大的情況下，風(fēng)荷載和地震力則越大。因此需要掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點，并針對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題進(jìn)行深入分析，積極采取有效的措施加以解決。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計;原則;要點;平面布局;結(jié)構(gòu)形式

中圖分類號：TU2? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0094-02

Abstract： In the new situation of the rapid development of the current society， the building function is becoming more and more diversified， and the construction land is becoming more and more tense. In this case， the high-rise building is developing rapidly. Compared with ordinary buildings， the structural design of high-rise buildings is more difficult. In particular， the development of new design and calculation concepts and the development of higher strength materials have also brought new challenges to the design of high-rise structures. Because the high-rise building system needs to bear large vertical load， wind load and seismic force， when the building height is larger， the wind load and seismic force are greater. Therefore， it is necessary to grasp the key points of high-rise building structure design， and make an in-depth analysis of the problems existing in high-rise building structure design， and actively take effective measures to solve it.

Keywords： high-rise building; structural design; principle; key points; plane layout; structural form

前言

在高層建筑建設(shè)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是較為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，其會對建筑的質(zhì)量、安全和穩(wěn)定性帶來直接的影響。因此在實際高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要保證結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)良、計算簡圖和分析計算結(jié)果的合理性，并針對實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中的軸向變形、結(jié)構(gòu)形式、荷載及高度等問題加以重視，科學(xué)合理對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)一步提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的水平，為建筑行業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該遵循的原則

1.1 結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)良

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要求保證建筑設(shè)計的可行性和經(jīng)濟(jì)性，具體的設(shè)計方案要合理，同時結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)形式要更具可行性。在同一結(jié)構(gòu)設(shè)計單元中，盡量避免出現(xiàn)多種類型的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，結(jié)構(gòu)體系受力要明確，并深入分析各種可能的影響因素。針對于結(jié)構(gòu)方案中的一些重要問題要加強(qiáng)與專業(yè)設(shè)計人員進(jìn)行溝通，以此來保證高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性。

1.2 計算簡圖的合理性

計算簡圖對于高層建筑結(jié)構(gòu)具有極為重要的意義，其直接關(guān)系到高層建筑結(jié)構(gòu)的計算公式及結(jié)構(gòu)構(gòu)造方式。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時如果選擇的計算簡圖不恰當(dāng)，必然會對高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性帶來較大的影響。因此在針對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要保證計算簡圖的合理性和準(zhǔn)確性，這樣才能確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性。在具體選擇計算簡圖時，需要保證誤差在可控范圍內(nèi)，從而為高層建筑施工質(zhì)量起到重要的保障作用。

1.3 分析計算結(jié)果的合理

目前高層建筑設(shè)計普遍運(yùn)用計算機(jī)來完成，建筑設(shè)計軟件種類較多，當(dāng)選擇的設(shè)計軟件存在差異時，即使同一建筑也會存在不同之處。這就要求設(shè)計人員在選擇建筑設(shè)計軟件時，需要針對每一個軟件的適用范圍和使用條件進(jìn)行仔細(xì)研究，保證計算機(jī)輔助軟件的合理性。在具體設(shè)計過程中，盡量避免人為操作的情況發(fā)生，針對于輸入的數(shù)據(jù)要仔細(xì)審查，確保分析計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點

2.1 要重視軸向變形的問題

由于高層建筑豎向荷載較大，因此在施工過程中易出現(xiàn)軸向變形，影響建筑彎矩及連續(xù)墻結(jié)構(gòu)。當(dāng)建筑出現(xiàn)軸向變形時，其會造成連續(xù)梁支座負(fù)彎矩數(shù)值下降，建筑正彎矩值也會隨之提高，構(gòu)件剪力和側(cè)移會發(fā)生較大的改變。針對于軸向變形問題，需要對變形進(jìn)行仔細(xì)觀察，并做好構(gòu)件對比工作，針對一軸向變形結(jié)果進(jìn)行計算，對構(gòu)件下料長度進(jìn)行預(yù)測，并對下料長度進(jìn)行合理分配。

2.2 結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)延性問題

目前高層建筑設(shè)計多采用鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，其具有較好的經(jīng)濟(jì)性，材料來源具有多樣性特點，能夠針對各種復(fù)雜的斷面形狀進(jìn)行澆筑，將各類結(jié)構(gòu)體系更好的體現(xiàn)出來，整體結(jié)構(gòu)耐久性和防火性具有一定的優(yōu)勢。針對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)和規(guī)范的設(shè)計，能夠更好地發(fā)揮出結(jié)構(gòu)的抗震性能。但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用時存在構(gòu)件斷面大及自重大的問題。采用鋼結(jié)構(gòu)時，其在強(qiáng)度和韌性方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，同時結(jié)構(gòu)斷面小、自重輕，具有較強(qiáng)的抗震性。通過在工廠中對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加工，可以實現(xiàn)施工工期的節(jié)約。但構(gòu)件用鋼量較大，造價相對較高，防火性能不強(qiáng)，使用過程中需要大量的防火涂料，無論是施工周期還是成本都會有所增加。因此要針對建筑的實際情況來選擇適宜的結(jié)構(gòu)形式。另外，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要將結(jié)構(gòu)的延性作為設(shè)計的重要指標(biāo)，這樣即使有強(qiáng)力的沖擊影響，建筑結(jié)構(gòu)也能夠保護(hù)良好的變形而不會坍塌，針以于地震破壞力具有較強(qiáng)的抵御能力。

2.3 荷載與高度問題

高層建筑結(jié)構(gòu)的防震及防風(fēng)設(shè)計需要根據(jù)其自身高度為依據(jù)，具體設(shè)計時需要以建筑安全為基點。由于相較于多層建筑高層建筑水平荷載力較為突出，高層建筑重量和產(chǎn)生的內(nèi)力與建筑高度的一次方為正比的關(guān)系，建筑水平荷載力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力量與建筑高度的二次方成正比，水平荷載力直接關(guān)系到防震性能和防風(fēng)的設(shè)計。一旦地震發(fā)生，水平荷載力會對建筑產(chǎn)生巨大的作用力，因此在設(shè)計時需要精準(zhǔn)計算水平荷載力，有效地保證建筑的安全。在實際高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要針對建筑超高問題給予高度的重視，一旦高度超出規(guī)定高度，必然重新設(shè)計。

3 當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題分析

3.1 結(jié)構(gòu)體系不合理

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，當(dāng)設(shè)計人員選擇結(jié)構(gòu)體系不合理時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性必然會下降。如在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系設(shè)計時，設(shè)計人員需要充分的結(jié)合工程結(jié)構(gòu)特點，并根據(jù)建筑所處地區(qū)抗震設(shè)防等級及風(fēng)荷載情況來選擇適宜的結(jié)構(gòu)體系。如果設(shè)計人員選擇的結(jié)構(gòu)體系不合理，在一定程度上會降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。特別是在選擇鋼盤混凝土結(jié)構(gòu)體系時，一旦選擇的設(shè)計指標(biāo)欠缺科學(xué)性，必然會降低整體結(jié)構(gòu)的性能和可靠性，易發(fā)生各種質(zhì)量和安全問題。

3.2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計不科學(xué)

在高層建筑地基和基礎(chǔ)設(shè)計時，當(dāng)基礎(chǔ)類型選擇不合理時，建筑物易發(fā)生不均勻沉降，嚴(yán)重時還會整體出現(xiàn)傾斜。在地基基礎(chǔ)設(shè)計不合理時，當(dāng)?shù)鼗泵嫫缕露容^大情況下，會對地基混凝土施工時振搗質(zhì)量帶來影響，從而對地基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來不利影響。當(dāng)?shù)叵率业装迮浣畈缓侠頃r，高層建筑結(jié)構(gòu)也易出現(xiàn)失穩(wěn)，導(dǎo)致建筑物不均勻沉降量增大。另外，在實際設(shè)計過程中，設(shè)計人員對于地下水對地基和基礎(chǔ)的影響考慮不全面，從而對地基和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性帶來較大的影響。

3.3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計存在較多缺陷

在針對高層建筑鋼筋混凝土上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，當(dāng)框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理時，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)安全性下降，結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)裂縫或是倒塌事故。在具體框剪結(jié)構(gòu)連接構(gòu)件設(shè)計時，當(dāng)剪力墻布置不合理時，會導(dǎo)致框剪連接構(gòu)件設(shè)計難度增加，從而對整體結(jié)構(gòu)的可靠性帶來較大的影響。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的解決策略

4.1 科學(xué)布置平面布局

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)問題，這就需要在實際設(shè)計過程中，建筑結(jié)構(gòu)形式宜采用相對規(guī)則的圖形，并保證質(zhì)量的均勻分布，進(jìn)一步提高建筑體的穩(wěn)定性，保證建筑結(jié)構(gòu)的對稱性。即在實際設(shè)計過程中，具體通過科學(xué)進(jìn)行平面布局，以此來保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和安全性。

4.2 合理計算與應(yīng)用計算簡圖

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要以計算簡圖的計算作為重要依據(jù)。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計中會涉及到配筋率、構(gòu)件尺寸及建筑物高度等問題，這些問題都離不開準(zhǔn)確的計算，在實際計算過程中還需要合理選擇計算簡圖，以此來保證計算模型或是計算簡圖能夠與實際工程狀況相符。對于高層建筑而言，其對于結(jié)構(gòu)荷載承受力、抗震能力及其他功能、性能等都具有較高的要求，因此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，在實際設(shè)計過程中設(shè)計人員會受到諸多因素的影響，特別是需要合理計算和應(yīng)用計算簡圖，從而保證計算過程和計算結(jié)果的精準(zhǔn)度。

4.3 科學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計

相較于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計相對滯后。計算機(jī)技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，有效地提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率，但在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中還存在一定的約束因素，這也使建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的難度較大。在當(dāng)前部分結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員往往覺得設(shè)計與規(guī)范要求相符，計算準(zhǔn)確即可，但在實際工作中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案一般需要根據(jù)工程施工變化而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。因此在實際建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要求其要能夠滿足各種性能的要求，以此來保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)性和合理性，而且建筑在后期使用過程中的安全性和穩(wěn)定性也能夠得到有效的保障。同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計時還要重視結(jié)構(gòu)的延性特征，這樣才能保證高層建筑使用過程中變形和倒塌風(fēng)險降低，提高建筑對荷載的承受力。另外，針對于建筑結(jié)構(gòu)形式的選擇，由于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)各有特點，在具體選用過程中，需要考慮建筑地點的地理環(huán)境，同時還要結(jié)合建筑的實際用途，從而選擇更為適宜的結(jié)構(gòu)形式。雖然近年來鋼結(jié)構(gòu)制造水平有了大幅度的提升，但其在防火方面還存在一定的欠缺，因此在當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通常會將鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合，進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和安全性。

5 結(jié)束語

由于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中會受到較多因素的影響，這也導(dǎo)致在實際設(shè)計中往往會存在一些問題，這就需要采用科學(xué)合理的設(shè)計方法，有效的提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，有效的推進(jìn)建筑行業(yè)的健康、有序發(fā)展。

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