高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)問(wèn)題

袁鈺程

（山西中方森特建筑工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030002）

高層建筑具有空間面積大、功能種類繁多的特征，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在較多問(wèn)題，設(shè)計(jì)難度不斷增加。為保證高層建筑質(zhì)量，提高使用價(jià)值，有必要對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以深入分析，結(jié)合設(shè)計(jì)中現(xiàn)存問(wèn)題給出科學(xué)有效的解決方案，以改進(jìn)建筑質(zhì)量，為現(xiàn)代化建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 水平荷載

水平荷載關(guān)系著高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。高層建筑具有樓層高的特點(diǎn)，這使得該建筑對(duì)于荷載設(shè)計(jì)的要求相對(duì)較高。與普通建筑相比，高層建筑還具有重量大的特征，結(jié)構(gòu)承載的彎矩值和豎向軸力值相對(duì)較大，且隨著高度的增加，這些數(shù)值還會(huì)不斷增長(zhǎng)。為此，在設(shè)計(jì)中需要對(duì)水平荷載予以科學(xué)設(shè)計(jì)，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免變形問(wèn)題的產(chǎn)生。另外，在高層建筑豎向荷載不變的情況下，水平荷載處理的科學(xué)性與否將直接關(guān)系著建筑的抗震性能。鑒于此，要對(duì)水平荷載加以重點(diǎn)關(guān)注，以保證高層建筑的質(zhì)量。

1.2 側(cè)移

相較低層建筑來(lái)說(shuō)，科學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)側(cè)移對(duì)于提高建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)側(cè)移需要控制在一定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，這樣才不會(huì)因?yàn)榻ㄖ菍拥牟粩嗌撸觿〗Y(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而出現(xiàn)側(cè)移危險(xiǎn)，降低建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。且變形問(wèn)題達(dá)到一定參數(shù)后，還可能引發(fā)坍塌事故，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)移如下圖1所示。

圖1 框架結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線

1.3 軸向變形

高層建筑因?yàn)闃菍虞^高，豎向荷載相對(duì)較大，一旦出現(xiàn)變形問(wèn)題會(huì)引起連續(xù)梁彎矩現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)較大威脅，且隨著彎矩變形的加劇，會(huì)破壞周邊結(jié)構(gòu)的承載能力。為此，要展開(kāi)軸向變形的的監(jiān)督和處理作業(yè)，準(zhǔn)確掌握變形情況，找到問(wèn)題所在，進(jìn)而制定有針對(duì)性的解決措施，保障建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

1.4 延性

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中柔性特點(diǎn)相對(duì)突出，這使得建筑在地震作用力下出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題。為抵抗結(jié)構(gòu)變形帶來(lái)的危險(xiǎn)，減少外界不良沖擊對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響，需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)行優(yōu)化調(diào)整，以增強(qiáng)建筑的延性能力。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

2.1 科學(xué)選擇計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算簡(jiǎn)圖作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)和參照，一旦出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)使得高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)較多不合理問(wèn)題，甚至引發(fā)安全事故。為此，設(shè)計(jì)中要對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)圖加以嚴(yán)格把控。合理選擇構(gòu)造方法，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)不應(yīng)局限在鉸節(jié)點(diǎn)或鋼節(jié)點(diǎn)，而應(yīng)該以減小誤差為目的選擇合理的構(gòu)造方法，需將計(jì)算簡(jiǎn)圖控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

2.2 科學(xué)規(guī)劃基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，同時(shí)也是提高建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)人員需先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)展開(kāi)勘察，了解地質(zhì)環(huán)境特征，掌握地下水位特點(diǎn)，給出精準(zhǔn)數(shù)據(jù)資料，保證設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員還需要重點(diǎn)考慮到主體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于荷載分布狀況予以評(píng)估，同時(shí)還需要兼顧周?chē)扔袠?gòu)筑物，了解其可能對(duì)于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的干擾。在明確這些影響因素后就可以規(guī)劃基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并且從中選出最為合適的方案計(jì)劃落實(shí)到實(shí)際作業(yè)中，確保基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

2.3 科學(xué)選擇結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)方案不僅要保證建筑結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)形式的標(biāo)準(zhǔn)性、可靠性，還需滿足經(jīng)濟(jì)性的基本要求，降低資金成本的過(guò)多支出。合理的結(jié)構(gòu)方案，需要確保內(nèi)部受力及傳力的科學(xué)性，以免建筑受外界影響，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。相同的結(jié)構(gòu)單元選用的應(yīng)當(dāng)是相同的結(jié)構(gòu)體系。為了最終選擇恰當(dāng)結(jié)構(gòu)方案，往往還需要綜合考慮到項(xiàng)目所處區(qū)域的地理?xiàng)l件、造價(jià)要求、技術(shù)要求以及材料要求等因素，由此更好提升其可行性效果。

2.4 計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性

現(xiàn)階段，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)，但因?yàn)槭褂玫挠?jì)算機(jī)軟件不同，在模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)計(jì)算中得出的結(jié)果也會(huì)存在一定差異，這時(shí)要求設(shè)計(jì)人員展開(kāi)細(xì)致分析，科學(xué)選擇軟件種類，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。此外，盡量避免在使用軟件過(guò)程中出現(xiàn)人工輸入錯(cuò)誤，且高度重視軟件本身缺陷造成的計(jì)算誤差現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)在得到計(jì)算結(jié)構(gòu)之后展開(kāi)復(fù)核，確保計(jì)算結(jié)構(gòu)的正確、合理，如圖2。

圖2 高層建筑設(shè)計(jì)模型

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題

3.1 扭轉(zhuǎn)

在高層建筑設(shè)計(jì)中，一旦出現(xiàn)偏離的情況，在水平力作用下，高層建筑會(huì)存在扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，造成相應(yīng)建筑物難以安全使用。三心在高層建筑設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要位置，三心偏離也就說(shuō)明建筑結(jié)構(gòu)的承載性能發(fā)生偏移，會(huì)加大危險(xiǎn)事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 嵌固端設(shè)計(jì)問(wèn)題

高層建筑結(jié)構(gòu)體系中嵌固端同樣不容忽視，該方面的問(wèn)題同樣也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，具體表現(xiàn)如下：1）位置不當(dāng)。設(shè)計(jì)人員在嵌固端的應(yīng)用中沒(méi)有考慮到地下室頂板的剛度狀況，嵌固端與地下室頂板之間存在一定的縫隙夾層，留下安全隱患；2）當(dāng)將嵌固端設(shè)置在局部錯(cuò)層地下室頂板位置中時(shí)，因?yàn)槲窗凑諛?biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)固定端實(shí)行固定處理，呈現(xiàn)出入口結(jié)構(gòu)，埋下安全隱患。該情況的出現(xiàn)可能是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員未理解實(shí)際作業(yè)內(nèi)容導(dǎo)致的。

3.3 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，我國(guó)作為板塊交接地帶，板塊運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈，這使得地震災(zāi)害也變得越來(lái)越頻繁，再加上開(kāi)挖、生產(chǎn)作業(yè)的開(kāi)展，地震帶來(lái)的破壞力大大增加。為改善建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量，保障人們的生命安全，做好抗震設(shè)計(jì)是非常必要的。但就目前情況來(lái)看，設(shè)計(jì)人員對(duì)于抗震設(shè)計(jì)的重視力度不高，設(shè)計(jì)后的抗震性能很難對(duì)高層建筑加以保護(hù)。同時(shí)，抗震設(shè)計(jì)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)存在一定的差距，抗震設(shè)計(jì)結(jié)果與真實(shí)模型抗震性能存在較大出入。或者是在抗震設(shè)計(jì)中，采用的地震水準(zhǔn)儀精度不夠，無(wú)法滿足抗震要求，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)存在安全隱患。

4 完善高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效策略

4.1 扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的處理和控制

1）平面寬度的科學(xué)設(shè)置，對(duì)于規(guī)模較小的高層建筑，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該優(yōu)先選用框架結(jié)構(gòu)。如果建筑條件不允許，可采取添加抗側(cè)力剛度的方式來(lái)增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低扭轉(zhuǎn)問(wèn)題出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。在情況允許的條件下，設(shè)計(jì)人員還可在框架結(jié)構(gòu)內(nèi)增加框架柱，增加框架跨數(shù)，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)性能，增大剛度。另外，對(duì)于小型高層建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，因?yàn)楦叨壬系南拗疲瑫?huì)將剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)置在電梯、樓梯等空間區(qū)域內(nèi)，這就會(huì)使得建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，增加扭轉(zhuǎn)問(wèn)題出現(xiàn)的可能。為了有效解決該類問(wèn)題，應(yīng)該著重從剪力墻入手予以調(diào)整，盡量將其涉及到建筑結(jié)構(gòu)外側(cè)，避免中心部位大量增加剪力墻，促使框架剪力墻體系更為協(xié)調(diào)有序，杜絕扭轉(zhuǎn)問(wèn)題出現(xiàn)。

2）周期比把控，周期比的控制同樣也可以形成扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的防控，尤其是在結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)剛度控制方面具備重要價(jià)值，對(duì)抗扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，影響到抗扭轉(zhuǎn)剛度及抗側(cè)剛度，加強(qiáng)周期比設(shè)置的合理性。具體操作中：一方面設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合工程特點(diǎn)增加剪力墻厚度，實(shí)現(xiàn)周期比的調(diào)整；另外一方面，還可以優(yōu)化設(shè)置拉梁，由此促使拉梁在剛度系數(shù)理想的前提下，對(duì)于扭轉(zhuǎn)問(wèn)題形成良好防控。

3）周邊抗側(cè)力剛度的調(diào)整，在抗扭轉(zhuǎn)性能優(yōu)化中，除要采取科學(xué)有效的措施提高抗側(cè)力結(jié)構(gòu)性能外，還應(yīng)該對(duì)周邊抗側(cè)力剛度加以科學(xué)調(diào)整和優(yōu)化，提升整體結(jié)構(gòu)的抵抗性能，避免扭轉(zhuǎn)問(wèn)題的出現(xiàn)。在實(shí)際操作中，設(shè)計(jì)人員可以從以下幾方面入手：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將單項(xiàng)剪力墻轉(zhuǎn)變成成形剪力墻，并做好長(zhǎng)度的延伸，同時(shí)注意不得開(kāi)展轉(zhuǎn)角窗的設(shè)計(jì)，以免引起突發(fā)問(wèn)題；對(duì)剪力墻厚度實(shí)施加厚處理；增加周邊剪力墻連梁的高度，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)樓板、下層門(mén)窗高度及間距等參數(shù)予以嚴(yán)格把控，優(yōu)化周邊結(jié)構(gòu)質(zhì)量。為從某種程度上增加高層建筑的剪力墻抗扭轉(zhuǎn)剛度，可將樓面上、下方的高度部分演變成連梁，以便增加結(jié)構(gòu)剛度，確保工程質(zhì)量。

4.2 嵌固端問(wèn)題的處理

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為保障參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確性，需要先對(duì)嵌固端予以準(zhǔn)確掌握，了解其位置狀況，進(jìn)而優(yōu)化調(diào)整剛度以及承載力狀況，避免塑性鉸出現(xiàn)應(yīng)用不當(dāng)問(wèn)題。嵌固端的具體應(yīng)用如下。

1）高層建筑不設(shè)地下室，但是基礎(chǔ)埋深較大；2）存在地下室，但基礎(chǔ)形式以及層數(shù)不同。常用嵌固端的處理方式如下圖3所示。

圖3 嵌固端設(shè)計(jì)

如果是多層地下室結(jié)構(gòu)的高層建筑，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常會(huì)將嵌固端設(shè)置在地下室頂板位置上，但在設(shè)計(jì)中需要滿足以下要求，以保證嵌固端的合理性，防止安全隱患的出現(xiàn)。

1）地下室頂板標(biāo)高要與室外地坪標(biāo)高一致，不能一致的也要盡量縮短高度差，高度差要求在地下一層高度的三分之一左右。

2）將地下室頂板設(shè)置成梁板體系結(jié)構(gòu)，且不得存在較大的孔洞問(wèn)題，增加樓面框架梁的抗彎剛度。

3）在地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，地下室頂板及樓層結(jié)構(gòu)內(nèi)需要使平面剛度及承載力在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，這樣設(shè)計(jì)是為保證地震發(fā)生時(shí)，地下室結(jié)構(gòu)對(duì)地震作用力進(jìn)行傳導(dǎo)，降低對(duì)內(nèi)部構(gòu)件的影響。基于該方面要求，相應(yīng)頂板應(yīng)該設(shè)置厚度在180mm以上，同時(shí)選擇C30以上的混凝土材料以及雙層雙向配筋方式，配筋率應(yīng)該大于0.25%。

4）地下室結(jié)構(gòu)除要具備承載上部結(jié)構(gòu)的能力外，還需要對(duì)地震作用予以處理，這就要求設(shè)計(jì)中對(duì)樓層剪切剛度實(shí)行科學(xué)設(shè)計(jì)，確保其在上部結(jié)構(gòu)剪切剛度的2倍以上。

5）在開(kāi)展多塔大底盤(pán)地下室樓層剪切剛度比的計(jì)算過(guò)程中，大底盤(pán)地下室的整體剛度與總體剛度之間應(yīng)當(dāng)存在2倍的差值，而剪切剛度比則要求在1.5倍左右。

6）在開(kāi)展地下室柱截面縱向鋼筋面積的設(shè)計(jì)時(shí)，除要控制計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性外，還需要展開(kāi)對(duì)比分析工作，確保計(jì)算結(jié)果是地上一層縱向鋼筋面積的1.5倍。

7）對(duì)于一些高層建筑來(lái)說(shuō)，地下室結(jié)構(gòu)通常會(huì)以車(chē)庫(kù)形式為主，部分會(huì)進(jìn)行頂板降板的設(shè)計(jì)，在這種情況下，無(wú)法在頂板上完成嵌固端的設(shè)置和安裝，則需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，給出更加科學(xué)的處理方案。如地下室為三層或以上時(shí)，可將嵌固端設(shè)置在地下一層底板位置上，一方面嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展設(shè)計(jì)作業(yè)，優(yōu)化地下室結(jié)構(gòu)質(zhì)量，一方面還需對(duì)以下要求加以關(guān)注，符合后方可展開(kāi)設(shè)計(jì)施工。首先是地下一層樓層剪切剛度要大于地上一層樓層剪切高度；其次，地下二層樓層剪切剛度應(yīng)大于地下一層的樓層剪切剛度，且兩者間存在的剛度差在2倍左右。

4.3 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于抗震性能的重要性，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要做到以下幾點(diǎn)要求：在抗震墻處理過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)截面長(zhǎng)度較大，需要利用洞口的有利條件，將其設(shè)置成弱連梁，各墻段高寬比應(yīng)大于3，同時(shí)墻體最好分成單肢和多肢墻，進(jìn)一步提高抗震墻的抗變能力，避免剪力墻結(jié)構(gòu)受到損壞。在水平作用力的影響下，剪力墻剛度會(huì)相應(yīng)的有所增加，這就會(huì)使得連續(xù)梁設(shè)置中出現(xiàn)內(nèi)力過(guò)大甚至超出荷載值的情況。為此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要盡可能的對(duì)連續(xù)梁剛度加以科學(xué)把控和處理，減少超載產(chǎn)生的危險(xiǎn)。在砌體結(jié)構(gòu)中抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖4所示。

圖4 氣體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

以某建筑設(shè)計(jì)為例，該建筑面積在30萬(wàn)m左右，建筑高度100m，地下2層，層高控制在4m左右，地下一層為架空層，層高4.5m，2層到頂部為住宅區(qū)域，每層層高在3m左右。建筑內(nèi)部，主樓以剪力墻結(jié)構(gòu)為主，安全等級(jí)為2級(jí)，使用年限控制在標(biāo)準(zhǔn)的50年，抗震等級(jí)要求在5及以上。基本地震加速度要設(shè)置在0.05。通過(guò)對(duì)施工圖紙及現(xiàn)場(chǎng)情況的對(duì)比分析可知，剪力墻底部為重要的承重區(qū)域，對(duì)于受力構(gòu)件的要求較高，設(shè)計(jì)中需要展開(kāi)該部分的強(qiáng)化處理，約束邊緣構(gòu)件，對(duì)軸壓比、構(gòu)造配筋率等予以嚴(yán)格把關(guān)，從而提升建筑結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)，優(yōu)化整體性能，保證高層建筑的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性較強(qiáng)，為避免不良因素對(duì)其影響，需要從不同角度展開(kāi)科學(xué)規(guī)劃和處理，提高建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及承載能力，保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)予以重點(diǎn)把控，避免地震災(zāi)害給建筑造成致命損傷，帶來(lái)嚴(yán)重的人員傷亡和損失，延長(zhǎng)高層建筑使用壽命。