高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐華德 安徽中丞控股集團(tuán)有限公司

一、高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

高層建筑與其他各種建筑進(jìn)行比較，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該是處于第一位的。因?yàn)槠渌偷慕ㄖ叨榷伎刂圃谝欢ǖ姆秶ｋS著高度逐漸上升，考慮的方面也需要更加全面。不一樣的建筑對建筑布局、工期和造價(jià)等等多方面都會(huì)有不同的要求。接下來對其進(jìn)行探討。

（一）高層建筑的水平荷載成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)

如今社會(huì)上的任何一座建筑，不管它的高度多高，都能同時(shí)承受重力所代表的豎向荷載和風(fēng)所產(chǎn)生的水平荷載，并具有抗震能力。在低層建筑或多層建筑中，由于高度相比來說較低，豎向荷載是需要著重考慮的。荷載在水平方向的內(nèi)力相對位移較小，沒有對整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成太大影響。通常建筑設(shè)計(jì)只要滿足垂直方向的荷載的需求，建筑的安全也就沒有什么問題。拿高層建筑來說，雖然豎向荷載的影響較小，但是隨著海拔高度不斷上升，水平荷載占有的優(yōu)勢則愈加凸顯，也就說所占據(jù)的比例越多。整個(gè)建筑物的承受重力以及垂直結(jié)構(gòu)在主體或構(gòu)件上的各個(gè)樓面所使用的荷載所產(chǎn)生的軸向力和扭矩，與整個(gè)建筑物的高度成正比，水平面上的荷載對整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的橫向傾覆效應(yīng)和垂直豎向結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的軸力和扭矩對整個(gè)高層建筑物的高度平方成正比。另一方面，水平風(fēng)力所造成的荷載和地震運(yùn)動(dòng)所造成的荷載也可能伴隨著結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性而發(fā)生相對較大的改變。

（二）軸向變形

軸向變形表現(xiàn)出了除去高層和多層等建筑外，低層和多級建筑的主體結(jié)構(gòu)僅僅是用去考慮彎矩值這一項(xiàng)的數(shù)值，因?yàn)橹黧w軸力的大小對整個(gè)建筑沒有過多的影響，不用多加考慮。此外，剪切項(xiàng)的取值更小，也都不予以計(jì)入。然而，高層建筑與它們并不是完全相同，因?yàn)檩S力值會(huì)隨著樓高的升高而急劇上升，軸力的變形隨著建筑高度的升高變化越來越大，而且軸力值的改變對內(nèi)力值和分布也有著很大的改變。對于框架結(jié)構(gòu)體系和框架——剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高層建筑，結(jié)構(gòu)框架里得中柱的軸壓通常是最大的，大于邊柱的軸壓力，而且中柱的軸壓變形和軸壓應(yīng)力也會(huì)大于邊柱的各種數(shù)據(jù)。當(dāng)建筑物高度持續(xù)上升，軸向變形間隙將逐漸增大，連續(xù)梁中間支座的下降，使它中間支座處的負(fù)彎矩得到減少，端部支座負(fù)彎矩和跨中正彎矩得到增加。

（三）側(cè)向位移

高層建筑相比于其他建筑來說，設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵控制指標(biāo)是結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。伴隨著建筑高度的逐漸升高，水平方向產(chǎn)生的力引起的建筑結(jié)構(gòu)側(cè)向變形程度也迅速加深。而且，高層建筑總體積的不斷擴(kuò)大，建筑材料的選材也就更加的嚴(yán)格，要求也越來越高。對高層建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，不光只在意建筑的強(qiáng)度，還要考慮水平風(fēng)所帶來的荷載；而且，還要滿足推力剛度，保證結(jié)構(gòu)在水平力作用下產(chǎn)生的側(cè)向位移能很好地控制在一定范圍內(nèi)，以保證人們能夠正常生活和工作。

（四）抗震設(shè)計(jì)

抗震設(shè)防在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)常設(shè)。要考慮使用時(shí)的豎向荷載，還需要有良好的抗震能力，做好居民人身安全以及建筑穩(wěn)定性。

二、減震和隔震措施

減震隔震是高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重中之重，這些直接影響著高層建筑的安全可靠性。“減震措施”是意思是指借助建筑物的非預(yù)期部位增加阻尼，從而在地震傳遞過程中逐漸消耗地震能量，從而避免地震對高層建筑的危害，確保高層建筑可以安全運(yùn)行，保障安全。在設(shè)置減震消能構(gòu)件時(shí)，往往選擇變形較大的部位。這樣才可以確保減震措施最大限度地發(fā)揮效率，從而保證高層建筑的可靠性與安全性。同時(shí)，在高層建筑施工完成之前就要做好減震措施應(yīng)用，并且應(yīng)有效利用建筑的外部環(huán)境，進(jìn)行環(huán)境優(yōu)化等方面，從而有效地增加高層建筑主軸方向的阻尼和剛度，這樣可以大大提高地震能量的折減效果。另外，隔離措施在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有多種特點(diǎn)，如基礎(chǔ)隔震和特殊材料的基礎(chǔ)隔震，這是一些常見的隔離措施。其中，采用特殊材料的基礎(chǔ)隔震措施主要采用粘土、砂和瀝青特種材料實(shí)現(xiàn)高層建筑的基礎(chǔ)隔震，這些措施在高層建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用于。

三、高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分析

（一）上部結(jié)構(gòu)剛度

大部分情況，如果地基有一定的形狀上的改變，上部結(jié)構(gòu)的剛度對于基礎(chǔ)受力情況也會(huì)有所影響。簡單的說，當(dāng)?shù)鼗呀?jīng)開始變化了的話，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)仍然保持絕對剛性的條件時(shí)候，每個(gè)豎向結(jié)構(gòu)件將有機(jī)會(huì)出現(xiàn)均勻地傾斜或者下沉。基礎(chǔ)梁的橫斷面和不動(dòng)鉸鏈支座在對于構(gòu)件的端部而言忽視了抵抗轉(zhuǎn)移的能力時(shí)，它們可以用一個(gè)豎向的構(gòu)件支座來充當(dāng)，即基礎(chǔ)梁和倒立式連續(xù)梁類似，外部的荷載則由基座分布的反力來承擔(dān)。通常上部結(jié)構(gòu)剛度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)局部的彎曲，但是不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)整體的彎曲。而且相反來說，如果上部柔度太大，則沒有必要影響到基礎(chǔ)的柔韌性和變形。因此，如果一個(gè)建筑物的基本梁在某種程度上已經(jīng)發(fā)生了彎曲，則這個(gè)建筑物的整體就可能出現(xiàn)很大的彎曲。由此看來，兩種場合都已經(jīng)表明，基礎(chǔ)橋梁中外力的大小與其分布方式都會(huì)存在較大的差別。但是，在實(shí)際施工中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用狀況將始終介于這二者之間。考慮到一個(gè)整體的剛度也并不輕松，剛度的設(shè)計(jì)與分析僅僅是借助于一個(gè)軟件來實(shí)施。在任何荷載、基礎(chǔ)和其他基礎(chǔ)工程條件下都保持一定的穩(wěn)態(tài)性，上部結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)的內(nèi)力和相對撓度下降，上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力會(huì)因?yàn)槠涠龃蟆Ｒ虼耍螒?yīng)力本身雖然是不能被忽視的，但它們雖然可以降低地基的內(nèi)力，但并沒有直接對上部建筑物的剛度產(chǎn)生影響。

（二）基礎(chǔ)剛度的影響

為了盡量減少上部剛度對結(jié)構(gòu)的影響，基礎(chǔ)應(yīng)該是絕對柔性的，才能完全忽略剛度。荷載q(x，y)方向與其相反且作用力分布 p(x，y)方向相反且作用力等于。在均勻負(fù)重荷載的情況下，地基將采取盆形沉降方式開始下沉;要使地基能夠均勻進(jìn)行沉降，讓兩端荷載逐步減少到中間，呈現(xiàn)不均衡的狀態(tài)才是最佳方法。在確定地基的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是絕對剛性的前提下，地基能夠承受荷載和其他物體傳遞的“架越作用”，使得地基能夠均勻進(jìn)行沉降，相應(yīng)的作用力將會(huì)形成嚴(yán)重的分布。由于塑性體區(qū)最初是出現(xiàn)在一個(gè)邊緣區(qū)域，反作用力將其減小，轉(zhuǎn)移到中間，并逐步形成一個(gè)馬鞍狀的分布。通過研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以得出土體基礎(chǔ)反應(yīng)的大小與變形特征、荷載大小及其分布位置、地基的埋深以及土的種類有所關(guān)系。

（三）地基條件對基礎(chǔ)受力狀況的影響

地基土的分布和壓縮性會(huì)對地基的應(yīng)力會(huì)有相應(yīng)的影響。當(dāng)?shù)鼗磷陨韷嚎s性相對比較小的售后，它上部的穩(wěn)定能力比較好，但在實(shí)際的時(shí)候，地基土的壓縮性并沒有預(yù)想中的那么小，壓縮性不均勻分布，所以地基彎矩有著很大的差別。地基與基礎(chǔ)界面之間的摩擦是時(shí)刻發(fā)生的，但出土的抗剪強(qiáng)度通常比這種摩擦大。還有，孔隙水壓力會(huì)影響摩擦力的分布和大小，因此在計(jì)算界面摩擦力時(shí)需要綜合考慮，并要嚴(yán)密計(jì)算 。

四、影響高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的因素

（一）地質(zhì)條件

影響結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要因素是地質(zhì)條件。地基設(shè)計(jì)承載力中，地質(zhì)條件是最為重要的。在地質(zhì)條件下，地基承載層和穿過土層的樁基是最要關(guān)注的，因?yàn)樗鼈儗Y(jié)果的影響很大。設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)對這兩個(gè)方面進(jìn)行多加考慮。地基承載層與相連接的土層承擔(dān)高層建筑的主要荷載。所以，在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮承土層的特性、承載力等方面。另外，對于樁基穿越土層的情況，在地基設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮地下水在地下的分布特性；在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要時(shí)刻保證科學(xué)與合理性。

（二）施工環(huán)境

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也受施工環(huán)境影響。施工環(huán)境會(huì)受到幾個(gè)方面影響，一個(gè)是自然方面，第二個(gè)是人工方面。自然方面，環(huán)境溫度和地震等級需著重考慮，因?yàn)殇摻罨炷猎诮ㄖ矫媸亲鳛樽罨镜脑稀囟葢?yīng)適當(dāng)，施工的質(zhì)量跟溫度也有直接的關(guān)系，過高過低都有影響。人工方面，有以下影響因素：施工過程對地基的處理不當(dāng)；當(dāng)樁基礎(chǔ)埋入土壤后，會(huì)對周圍土層有不利影響。因此，應(yīng)綜合考慮施工環(huán)境問題，科學(xué)合理的安排。

五、存在的問題

由于高層建筑的基本設(shè)計(jì)是整個(gè)建筑設(shè)計(jì)中最為核心的內(nèi)容，所以我們應(yīng)該在此問題中著重進(jìn)行處理。與其他建筑相互做下比較，高層建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)所需要承受的不僅是上部建筑豎向壓應(yīng)力，同時(shí)也需要承受在水平面方向上的位移和傾覆壓應(yīng)力。對于高層建筑物所有這些需要是否可以通過提高建筑物地基的埋深來得到成果。對于深埋的這個(gè)方面，我國法規(guī)中有著嚴(yán)格明文規(guī)定。在進(jìn)行建筑物主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，企業(yè)應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

六、對高層建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的建議

對高層建筑主體結(jié)構(gòu)地基進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們在對高層建筑主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)候，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)則被認(rèn)為是整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分之一，在具體設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該是依靠一個(gè)整體的建筑去對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且應(yīng)該是充分考慮到地基的結(jié)構(gòu)和上部之間的相互影響，通過不同的假設(shè)綜合考慮，得到了地基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中相關(guān)影響因素，接下來采用科學(xué)合理的有效措施，這也讓高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)一步得到了提高，整個(gè)設(shè)計(jì)工程過程中的誤差從多方面上得到降低，增加了建筑的主體性的提升。在高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的具體實(shí)施過程中，基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和彈性的設(shè)計(jì)需要更好地全面的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的柔韌性和剛度也要格外注意，從而減少沉降，提高高層建筑基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和可靠性。這樣可以獲得更好的設(shè)計(jì)效果。

七、結(jié)束語

我們在進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性事關(guān)重要，這也就是如何保證高層建筑工程質(zhì)量的重點(diǎn)。因此，努力提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者的技術(shù)水平和整體實(shí)力迫在眉睫，使其能夠有效地充分利用上部結(jié)構(gòu)的剛度與地基條件，選擇合理的建筑工程基礎(chǔ)形態(tài)，并與工程實(shí)施中的各方緊密配合，使行業(yè)健康發(fā)展，保障居民的人身安全。