試論高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題及優(yōu)化方案

摘要：隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的步伐越來越快，各類大中型的建筑工程也如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，而其中的高層建筑所占的比重也越來越大，其地位也變得越來越重要，這就對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。對(duì)于高層建筑而言，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量優(yōu)劣的判斷依據(jù)，主要就是對(duì)其工程整體及局部結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、耐久性與穩(wěn)定性等因素來進(jìn)行分析而得出的。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);使用壽命;耐久性

1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

由于高層建筑具有層數(shù)多、高度高的特點(diǎn)，隨著層數(shù)的增多，設(shè)計(jì)過程中主要控制好豎向的結(jié)構(gòu)體系。這是由于垂直荷載越大就需要越大的墻和柱，且側(cè)向力造成的剪切變形和傾覆力矩就會(huì)越大。就側(cè)向荷載與豎向荷載相比而言，前者對(duì)建筑物的效應(yīng)并不是線性增加，而是隨高度增高而增大。比如在一切條件相同的情況下，同時(shí)受到風(fēng)荷載的作用，建筑物用地基底所手的傾覆力矩通常與建筑物高度的兩次方成正比例關(guān)系而建筑物頂部的側(cè)向位移與建筑物高度的四次方成正比例關(guān)系，其地震作用效用更為明顯。高層建筑不僅要抗剪，還要注重還應(yīng)注重整體抗彎及抵抗變形。因此，高層建筑與低層建筑的結(jié)構(gòu)受力性能有著很大的差異。

2.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見問題分析

2.1對(duì)于高層建筑的設(shè)計(jì)選型需要注意以下幾方面：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不規(guī)則問題。新規(guī)范出臺(tái)后，對(duì)于結(jié)構(gòu)的規(guī)則性做了硬性要求和限制。而且新規(guī)范明確規(guī)定建筑不需采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。因此，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選型的時(shí)候，一定要注意這方面的問題，否則，后期施工圖設(shè)計(jì)階段將會(huì)遇到不必要的麻煩。

（2）建筑結(jié)構(gòu)的高度問題。在地震力的作用下，超高限的建筑物將會(huì)變形，性態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。由于建筑的高度增加，許多參數(shù)會(huì)超出原有的指標(biāo)范圍，如安全性，延性，承載指數(shù)等等。因此，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須嚴(yán)格按照國家的規(guī)范要求來執(zhí)行。

（3）嵌固端的設(shè)置問題。嵌固端的設(shè)置會(huì)影響嵌固端上下層的剛度以及抗震等級(jí)。如果忽略了這個(gè)問題，那么會(huì)在后期的工作中造成安全隱患。

2.2高層建筑的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)問題

高層建筑的扭轉(zhuǎn)問題就是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中沒有做到三心合一（即幾何形心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心）。在建筑物受到水平荷載作用時(shí)會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)，為了避免建筑物因扭轉(zhuǎn)而遭到破壞，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，做到三心合一。

2.3高層建筑的地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)問題。

地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是高層建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是設(shè)計(jì)人員比較重視的問題之一，地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的好壞成功將會(huì)直接決定后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否順利進(jìn)行。建筑物的地基基礎(chǔ)也決定了整個(gè)工程的造價(jià)高低，也影響到建筑在后期使用的質(zhì)量問題。如果在這一時(shí)期出現(xiàn)的問題，不引起重視，那么將會(huì)對(duì)后期的的施工造成巨大的損失

2.4建筑材料的選用和結(jié)構(gòu)問題

通常，在地震多發(fā)區(qū)，工程技術(shù)人員非常重視建筑材料的選取和建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在我國，一般150米以上的高層建筑主要采用框筒、筒中筒和框架作支撐的建筑結(jié)構(gòu)體系。這三種結(jié)構(gòu)在其他國家已被廣泛采用。在國外的地震高發(fā)區(qū)，高層建筑主要采用鋼結(jié)構(gòu)，在我國，將近90%的比例是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或砂石混合結(jié)構(gòu)?；旌辖Y(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土內(nèi)筒部位，一般要承受接近九成的地震作用力，這種情況對(duì)于建筑物來說非常危險(xiǎn)。由于混合結(jié)構(gòu)是以鋼筋混凝土核心筒為主，在對(duì)建筑材料的變形控制要考慮到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的位移問題。如果我們只用鋼度很小的鋼架來減少側(cè)移，相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的大幅度彎曲變形是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這樣還會(huì)增加鋼結(jié)構(gòu)的承載力。

2.5高層建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算和分析

能否高效準(zhǔn)確的對(duì)工程進(jìn)行內(nèi)力分析并按照相關(guān)規(guī)范來進(jìn)行設(shè)計(jì)直接決定這個(gè)工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量好壞。在結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析時(shí)，首先要選定結(jié)構(gòu)體系，借著就是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。由于新規(guī)范對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)，所以對(duì)這一部分比較常見的問題就要有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。接著根據(jù)選好的結(jié)構(gòu)體系，運(yùn)用準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)模型和正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件開始計(jì)算。

3.高層建筑中的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1耐久性優(yōu)化設(shè)計(jì)

在通常的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，經(jīng)常忽略的是建筑耐久性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建筑的耐久性，是要保證高層建筑建成后，在合理的使用期限范圍以內(nèi)，要保證用戶能夠正常使用。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，這樣的優(yōu)化設(shè)計(jì)往往被忽略。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的過程中，沒有考慮到在外力條件和周邊環(huán)境的變化的情況下，建筑結(jié)構(gòu)在使用的過程中會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷，從而嚴(yán)重地降低房屋的安全可靠指數(shù)使用壽命。對(duì)于混凝土的建筑設(shè)計(jì)，為節(jié)省建設(shè)投資，所才用的省材料和低造價(jià)的設(shè)計(jì)都應(yīng)該是科學(xué)合理的，但是在實(shí)際生活當(dāng)中，面對(duì)各種技術(shù)指標(biāo)或者使用要求成為建筑設(shè)計(jì)的主要矛盾時(shí)，建筑設(shè)計(jì)師就應(yīng)該果斷地放棄單純的經(jīng)濟(jì)利益追求，應(yīng)該提出更為人性化的設(shè)計(jì)方案，而這種人性化在很大程度上就體現(xiàn)在建筑的耐久性上面。

3.2房屋結(jié)構(gòu)周期性

在房屋的頂蓋和框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，因?yàn)樵诩庸虊w的同時(shí)使用填充物，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際剛度大于設(shè)計(jì)計(jì)算得出的剛度范圍，同時(shí)剛度的計(jì)算周期也大于實(shí)際周期。這時(shí)，在實(shí)際的受力情況中，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際結(jié)構(gòu)剪力偏小的狀況，這就導(dǎo)致整個(gè)建筑體出現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)的不安全狀況發(fā)生，從而大大降低了整個(gè)建筑的受力平衡。所以在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于高層建筑的房屋結(jié)構(gòu)計(jì)算的周期應(yīng)該進(jìn)行合理的折減，以達(dá)到整個(gè)建筑受力的大致平衡，起到良好的施工效果，但是必須注意的是，對(duì)于房屋框架結(jié)構(gòu)的折減一定不能小于常用的標(biāo)準(zhǔn)折減系數(shù)。

3.3地下室層數(shù)設(shè)計(jì)

高層房屋等多架構(gòu)的房屋，為了爭取建設(shè)空間，一般都會(huì)設(shè)置地下室，但是由于地下室的隔墻相對(duì)較少，所以在通常的建設(shè)中會(huì)采用板筏來做基礎(chǔ)。在建筑設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要將上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)（地下室）進(jìn)行合理地結(jié)合，在工程設(shè)計(jì)圖紙中，一定要按照實(shí)際的層數(shù)來通過電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理。這樣，地基縱向載荷以及基礎(chǔ)底板就通過幾次詳盡的計(jì)算可達(dá)到比較滿意的結(jié)果。與此同時(shí)，還可以通過比較側(cè)層移的剛度系數(shù)來判斷和調(diào)整房屋相對(duì)的嵌固位置，采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砑庸虡?gòu)造，從而保證樓板的最小厚度和最小配筋率保持在一個(gè)合理的受力范圍內(nèi)。另外，還需要考慮到，當(dāng)高層建筑在設(shè)計(jì)中采用的是不規(guī)則的縱向結(jié)構(gòu)時(shí)，地下室的層數(shù)設(shè)計(jì)首先要對(duì)其最薄弱的一層進(jìn)行科學(xué)合理而又詳盡的數(shù)據(jù)演算，從而通過電子計(jì)算機(jī)軟件來驗(yàn)算出合理的構(gòu)件厚度和強(qiáng)度，這樣就可以保證在控制工程經(jīng)費(fèi)的前提下將地下室的工程質(zhì)量提到最高。

3.4基礎(chǔ)形式的選擇。

高層建筑的基礎(chǔ)形式應(yīng)選用整體性好，能滿足地基承載力和高層建筑容許變形的要求，并能調(diào)節(jié)不均勻沉降，達(dá)到安全實(shí)用和經(jīng)濟(jì)合理的目的。以下討論平板式筏基和梁板式筏基經(jīng)濟(jì)合理的問題。平板式筏基與梁板式筏基相比較具有節(jié)約鋼材、混凝土，施工工期短等優(yōu)點(diǎn)。住宅一般開間小，即剪力墻間距小，并且剪力墻剛度大，所以剪力墻完全可以起到梁板式筏基中基礎(chǔ)梁的作用。采用中國建筑科學(xué)研究院編制的JCCAD軟件，用有限元法對(duì)不同基礎(chǔ)形式進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多，但梁板式筏基卻有基礎(chǔ)梁的配筋、混凝土用量和基礎(chǔ)梁支模等情況。當(dāng)采用梁板式筏基時(shí)有的基礎(chǔ)梁的剛度達(dá)不到它所應(yīng)起到的剛度作用，計(jì)算時(shí)超筋。于是還要再增大梁的斷面。從綜合經(jīng)濟(jì)效益分析，對(duì)于采用剪力墻結(jié)構(gòu)形式的高層住宅平板式筏基比梁板式筏基更經(jīng)濟(jì)合理。

4.結(jié)語

綜上所述，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，結(jié)構(gòu)工程師不但要注重結(jié)構(gòu)計(jì)算的精確性，還要注重高層建筑結(jié)構(gòu)方案的具體情況，選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合實(shí)際情況，認(rèn)真處理好設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題。

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