李曉允

（鶴山市建筑設(shè)計院有限公司廣東 江門 529700）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題及對策研究

李曉允

（鶴山市建筑設(shè)計院有限公司廣東 江門 529700）

在我國經(jīng)濟和技術(shù)不斷發(fā)展的今天，我國城市化建設(shè)的進程也逐漸加快，高層建筑也不斷涌現(xiàn)成為城市發(fā)展的一大標志。高層建筑的數(shù)量不斷增多的同時，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計上的許多問題也越來越明顯。本文在對高層建筑結(jié)構(gòu)特征進行介紹時，通過分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則，針對高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型問題進行了闡述，并著重于分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題和對策，提出筆者的相關(guān)建議與思考，以供參考。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；特征；問題；對策

自19世紀以來出現(xiàn)了現(xiàn)代高層建筑，隨著社會的進步人類的發(fā)展，如今，在人們的生活中高層建筑越來越成為了不可或缺的一部分。高層建筑的結(jié)構(gòu)本身具有一定的復(fù)雜性，對設(shè)計人員提出更高的要求，設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)不僅要具有很好的抗震、抗風(fēng)性能，同時還要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且高層建筑的設(shè)計結(jié)構(gòu)也要滿足一定的科學(xué)性和合理性。

1　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點

1.1結(jié)構(gòu)延性——重要的設(shè)計指標

相較于低層建筑，在地震過程中，高層建筑結(jié)構(gòu)變形更嚴重，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，高層建筑與低層建筑相比要更加柔和一點。為了防止高層建筑的倒塌，且在建筑進入塑性變形階段后，不會引起結(jié)構(gòu)整體明顯的變形，并且能保證結(jié)構(gòu)的延伸性，因此，在設(shè)計時，應(yīng)該針對具體問題，制定具體的方案。

1.2不可忽視的軸向變形

由于高層建筑結(jié)構(gòu)自重很大，會發(fā)生明顯的變形，從而在柱中使軸向變形加劇，導(dǎo)致跨中正彎矩和端支座負彎矩增加，而連續(xù)梁中間支座處的負彎矩則會變小[1]。另外，影響結(jié)構(gòu)軸向變形的因素很多，例如側(cè)移、構(gòu)件剪力以及豎向變形等，都會對結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生直接的影響，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，應(yīng)該合理控制構(gòu)件的下料長度。此時，我們需要通過精確的計算，確定最終的構(gòu)件下料長度。

1.3決定因素為水平荷載

當(dāng)我們要建造一定樓層的建筑時，其豎向荷載時定制的，水平荷載中的地震和風(fēng)荷載作用，都會因為結(jié)構(gòu)動力特性的不同其數(shù)值也會發(fā)生不同程度的幅度的改變；高層建筑結(jié)構(gòu)所承受的力矩，受到水平荷載和豎向構(gòu)件軸力兩方面因素的影響，且呈現(xiàn)正比例關(guān)系。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該保證高層建筑的水平荷載彎矩、和軸力與建筑高度一次方呈正比例關(guān)系。

2　高層建筑物建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則

2.1設(shè)計方案時要合理進行

在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計方案時，怎樣才具有合理性，首先建筑結(jié)構(gòu)體系和建筑結(jié)構(gòu)形式上一定要滿足高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，還要以節(jié)約成本為前提下做出最合理的設(shè)計方案[2]。建筑結(jié)構(gòu)體系的基本要求就是需要傳力簡單和受力明確，當(dāng)所建造的建筑具有相同的結(jié)構(gòu)單元時，我們必須參考以前的范例，選擇相同的建筑結(jié)構(gòu)體系。除此之外，在選擇合理化的建筑結(jié)構(gòu)方案的同時，更應(yīng)該將建筑施工的材料、建筑施工的條件、建筑工程設(shè)計的需求以及建筑的地理位置條件等考慮在內(nèi)，綜合性分析所有要求，作出最合理的設(shè)計方案。

2.2基礎(chǔ)設(shè)計的合理進行

我們必須對每個建筑的地理位置、地質(zhì)地貌、相鄰建筑物的影響等進行綜合分析，因為每個建筑的這些因素都不一樣，通過綜合分析最合理的基礎(chǔ)設(shè)計才會出現(xiàn)。除此之外，建筑物荷載以及建筑物上部的結(jié)構(gòu)類型都受基礎(chǔ)設(shè)計好與壞的影響，特別對于高層建筑物，其更需要將建筑物荷載的分布情況考慮在內(nèi)。與此同時，該高層建筑基礎(chǔ)通過對臨近建筑物地基的附加應(yīng)力的影響從而會導(dǎo)致臨近建筑地基也發(fā)生變形的現(xiàn)象，最終發(fā)生工程事故。這些都是我們在基礎(chǔ)設(shè)計中不可忽視的。

2.3計算簡圖設(shè)計的合理進行

只有正確計算的數(shù)據(jù)才能保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性，這里我們提到計算，那么就出現(xiàn)了我們在設(shè)計中用到的計算簡圖，如果我們在設(shè)計計算簡圖時產(chǎn)生了不合理的設(shè)計，我們所計算出的結(jié)果的準確性也會受到很大的影響，更嚴重的情況下會出現(xiàn)錯誤的計算結(jié)果，錯誤的計算結(jié)果會對建筑物造成相當(dāng)嚴重影響，從而使建筑的安全性得不到保障。為保證計算簡圖對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計以及建筑物以后使用中的安全性沒有任何影響，應(yīng)該在實踐中通過采取相應(yīng)的構(gòu)造措施來避免問題的發(fā)生。

3　高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選型

高層建筑的結(jié)構(gòu)體系是建筑的結(jié)構(gòu)在抵抗來自于水平方向和豎直方向的荷載時構(gòu)件的組成形式和傳力的路徑[3]。通過屬于豎向構(gòu)件的墻體，柱等和屬于水平構(gòu)件的樓蓋等將豎向荷載一直傳遞到建筑基礎(chǔ)，同時為了將水平荷載傳遞到基礎(chǔ)，建筑采用利用了抗側(cè)力體系。

我們可以根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的材料將高層建筑的結(jié)構(gòu)體系分為四類：一種是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系是運用最廣泛的一種，具有由混凝土和鋼筋一起受力的特點，而且在實際施工中具有成本低，抗壓持久，防火等優(yōu)點，從整體上看，其性能十分優(yōu)良，但是也同時存在豎向力比較大，不能很好的延伸，施工進程緩慢的缺點；另一種是具有強度高，強抗震性，實際施工操作方便，延展性強和用途多等優(yōu)點的鋼結(jié)構(gòu)體系，但這種結(jié)構(gòu)同時也具備建造成本高，不能有效防火等缺點；另外兩種結(jié)構(gòu)體系分別是鋼、混凝土混合結(jié)構(gòu)體系和鋼、混凝土組合結(jié)構(gòu)體系，其中，鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系在具有鋼筋混凝土構(gòu)件和鋼構(gòu)件長處的同時，鋼構(gòu)件的材料強度也得到了增加。

目前常見的高層建筑結(jié)構(gòu)分為三種，按照結(jié)構(gòu)形式，即一種是框架結(jié)構(gòu)體系，另一種是剪力墻結(jié)構(gòu)體系，還有一種是框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。但實際設(shè)計中，應(yīng)該堅持一個原則，即梁、柱為結(jié)構(gòu)的主要承載物，且承受結(jié)構(gòu)自重荷載。所以，在設(shè)計時，應(yīng)該充分考慮結(jié)構(gòu)變形和側(cè)向位移問題。同時，框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力大的特點，使之適用于不大于50m高度的建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)體系就是將高層建筑的墻體作為抵抗側(cè)力和豎向承重的結(jié)構(gòu)體系。由于剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度大，整體性能好，不容易因為水平作用力而發(fā)生變形現(xiàn)象，所以比較適合應(yīng)用在高層建筑中，但是剪力墻結(jié)構(gòu)也有不足之處，因為其間距小，所以不能靈活的布置平面。

4　高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題以及相應(yīng)的措施分析

4.1建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)范性問題

我國將建筑物的安全放在重點關(guān)注的對象中，所以高層建筑的工程項目就多了很多限制因素。我們需要做的就是對高層建筑工程項目中可能存在一些安全隱患進行必要的預(yù)防與控制[4]。舉個例子：在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對建筑結(jié)構(gòu)嵌固端的下層和上層剛度結(jié)構(gòu)比有限制性的規(guī)定。而且，在國家最新頒布的規(guī)范中，明確的指出不規(guī)則的建筑設(shè)計方案不能在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中被采用，所以，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計必須嚴格的按照新出每一條規(guī)范來對建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，避免發(fā)生危險事故。

4.2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計短肢剪力墻設(shè)置問題

在新規(guī)范中，墻肢截面高度與厚度之比為5～8則墻定義為短肢剪力墻，并根據(jù)實際經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了許多限制，在設(shè)計高層建筑中時，避免這些限制因素給設(shè)計增加的一些不必要的困難，結(jié)構(gòu)工程師通常使用的都不是短肢剪力墻。

4.3結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題

在這一方面，新的規(guī)范有了較大的改動，使限制條件增加了不少。如：嵌固端上下層剛度比以及平面規(guī)則性等等有了不少限制。除此之外，新規(guī)范中強制規(guī)定建筑不應(yīng)采用嚴重不規(guī)則的設(shè)計方案，為了使后期施工圖的設(shè)計階段工作順利快速地進行，結(jié)構(gòu)工程師一定要對個方面進行綜合分析，按照新規(guī)范里的各項條款進行工作。

4.4結(jié)構(gòu)超高的問題

在高規(guī)范以及抗震規(guī)范中，對結(jié)構(gòu)的總高度是有非常嚴格的限制的，尤其是超高的問題，不僅在新規(guī)范中增加了B級高度，而且原來的限制高度被設(shè)定為A級高度，致使設(shè)計方法和處理措施在相應(yīng)程度上都有很大的變動[5]。由于忽略了該問題而造成不能使施工圖通過審查的現(xiàn)象，我們就必須要開專家會議進行論證或重新設(shè)計，這樣不僅工程的工期被延誤，也會影響工程的整體規(guī)劃。

4.5嵌固端的設(shè)置問題

一般高層建筑配有大于一層的地下室或者人防。而高層建筑的地下室的頂板或者人防的頂板等位置設(shè)有嵌固端[6]。所以，結(jié)構(gòu)工程設(shè)計人員在進行設(shè)計時，要著重注意嵌固端的設(shè)置可能帶來的不便。將嵌固端的樓板的設(shè)計和固端上層和下層的剛度比進行綜合分析，此外，嵌固端上層和下層的抗震等級要一致；在設(shè)計人員對高層建筑進行整體計算時，應(yīng)合理對嵌固端進行設(shè)置，在設(shè)置嵌固端所放位置時要綜合考慮高層建筑結(jié)構(gòu)抗震縫隙設(shè)置。

5　結(jié)束語

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程是長久和復(fù)雜的，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象或錯誤都會讓整個設(shè)計變得更加困難或?qū)е略O(shè)計結(jié)果的安全性得不到保障。我們只有把每個問題都考慮全面，結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性才有保證。

[1]張政.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題和策略分析[J].價值工程，2014（16）：161～162.

[2]孫文波.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些特殊問題的分析處理[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2001，29（7）：74～78.

[3]劉偉瓊.關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計探析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（3）：270.

[4]李汝偉.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾個問題[J].城市建設(shè)理論研究，2014（12）.

[5]李亞.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題及解決路徑研究[J].城市建設(shè)理論研究，2014（10）.

[6]姚鵬正.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點探析[J].城市建設(shè)理論研究，2014（12）.

TU318

A

1673-0038（2015）18-0001-02

2015-3-17

李曉允（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。