淺論高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

胡智榮

摘要：隨著高層建筑物的不斷涌現(xiàn)，在進(jìn)行建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，要充分考慮建筑物的各個方面因素，對建筑物存在的地震力、自重和地基載荷影響采取有效的措施進(jìn)行治理，更好的保證建筑物混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和承載力，提高建筑物的整體質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高層混凝土；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

1.1整體性

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體性是指把各個部分組成一個整體，研究整體的功能和設(shè)計(jì)規(guī)律，從整體和部分中發(fā)現(xiàn)整體的特征。

1.2結(jié)構(gòu)性

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要充分了解其結(jié)構(gòu)及其各要素是非常重要的。建筑結(jié)構(gòu)決定著建筑的性能和質(zhì)量，影響著它在建筑中的使用和其發(fā)展情況，同時它也是性能的載體，還可以反作用于結(jié)構(gòu)。混凝土結(jié)構(gòu)的各要素運(yùn)動的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。

1.3最優(yōu)化性

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在差異整合，使建筑的各個部分合理的組合在一起，差異的部分相互互補(bǔ)，相互支持，相互需要，保證著整合后的性能。建筑結(jié)構(gòu)的形成也離不開差異整合，充分體現(xiàn)了它的重要性，在設(shè)計(jì)過程中，我們要重視這一點(diǎn)。

1.4動態(tài)性

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的動態(tài)原則是把握系統(tǒng)的內(nèi)外聯(lián)系，以及發(fā)展趨勢，動力規(guī)律、方式等方面，使混凝土在建筑中提供更好地應(yīng)用，滿足需求，把握時代的發(fā)展方向，跟隨時代的腳步。

2.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)選型及布置

2.1.1結(jié)構(gòu)選型

（1）結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題。新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案”。因此，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作被動。

（2）結(jié)構(gòu)的超高問題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設(shè)定為A級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑，因此，必須對結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑甚或超過了B級高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。

（3）嵌固端的設(shè)置問題。由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板，也有可能設(shè)置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時嵌固端的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改或埋下安全隱患。

2.1.2結(jié)構(gòu)布置

（1）結(jié)構(gòu)平面布置

一般來說，對于高層建筑內(nèi)，除了極特殊的設(shè)計(jì)需求外，在高層建筑內(nèi)每一個獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元都不宜采用嚴(yán)重不規(guī)則的平置布置設(shè)計(jì)，也就是說，應(yīng)該追求形狀簡單、規(guī)則，盡可能做到剛度和承載力分布均勻，高層建筑宜選用風(fēng)作用效應(yīng)較小的平面形狀。

1）結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)減少扭轉(zhuǎn)的影響。首先考慮地震作用下的偶然偏心因素，其中最重要的是評估樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移。具體規(guī)定是，A級高度的高層建筑，其位移值不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度的高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑以及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于該樓層平均值的1.2倍。

2）抗震設(shè)計(jì)時的高層結(jié)構(gòu)平面布置。高層建筑宜調(diào)整平面形狀和結(jié)構(gòu)布置，避免結(jié)構(gòu)不規(guī)則，不設(shè)防震縫。然而當(dāng)建筑物平面形狀復(fù)雜，我們又無法通過簡單的辦法將其平面形狀和結(jié)構(gòu)布置調(diào)整，從而形成較規(guī)則的結(jié)構(gòu)時，這時我們就應(yīng)該設(shè)置防震縫，以便將其劃分為幾個較簡單的結(jié)構(gòu)單元。設(shè)置防震縫時，對于框架結(jié)構(gòu)房屋來說，高度不超過15米的部分，一般取70毫米；超過15米的部分，還要加寬20毫米。另外，剪力墻結(jié)構(gòu)的房屋可按上述規(guī)定數(shù)值的一半采用。而對于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)房屋可按原規(guī)定的70%采用，但無論如論，防震縫的設(shè)計(jì)不應(yīng)少于70毫米。同時，防震縫的寬度的確定應(yīng)按最不利的結(jié)構(gòu)類型確定。具體規(guī)定是，如果防震縫兩側(cè)的房屋高度不同，那么防震縫的寬度應(yīng)按照較低的房屋確定。如果出現(xiàn)相鄰結(jié)構(gòu)有較大的沉降差時，還要增大防震縫的寬度。

（2）結(jié)構(gòu)豎向布置

高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)更加重要，直接影響到整體建筑的質(zhì)量。高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，如無特殊的設(shè)計(jì)需要，則應(yīng)力求避免有過大的外挑和內(nèi)收。出于重心和穩(wěn)定的考慮，整體建筑的豎向結(jié)構(gòu)應(yīng)該下大上小，側(cè)向應(yīng)該是逐漸均勻變化。如果是豎向結(jié)構(gòu)不是直的，或者不是下大上小，出現(xiàn)嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，那就需要特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，否則會為整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來隱患。如果建筑結(jié)構(gòu)豎向內(nèi)收時，從抗震需要的角度，高層建筑結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70%，或者說不應(yīng)小于其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80%。另外一個方面，當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)位于上部的樓層，其縮進(jìn)部位到室外地面的高度與房屋高度之比大于0.2時，上部樓層收進(jìn)后其長度不宜小于下部樓層長度的75%。

2.2地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在這一階段，所出現(xiàn)的問題也有可能更加嚴(yán)重甚至造成無法估量的損失。在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要注意地方性規(guī)范的重要性問題。由于我國占地面積較廣，地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜，《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》無法對全國各地的地基基礎(chǔ)都進(jìn)行詳細(xì)的描述和規(guī)定。因此，作為建立在國家標(biāo)準(zhǔn)之下的地方標(biāo)準(zhǔn)，地方性的《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》能夠?qū)⒏鞯胤降牡鼗A(chǔ)類型和設(shè)計(jì)處理方法等一些成熟的經(jīng)驗(yàn)描述和規(guī)定得更為詳細(xì)和準(zhǔn)確。

2.3樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高層建筑的樓蓋結(jié)構(gòu)，對于整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也有著重要影響。出于成本等因素的考慮，很多建筑商傾向于選用樓板預(yù)制件，這在地震時產(chǎn)生很大的風(fēng)險(xiǎn)。所以，國家規(guī)定，當(dāng)高層建筑高度超過50米時，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)及復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)宜采用現(xiàn)澆樓蓋結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)澆樓蓋的混凝土強(qiáng)度等級不宜低于C20、不宜高于C40。高層建筑的樓蓋每層宜設(shè)置鋼筋混凝土現(xiàn)澆層，現(xiàn)澆混凝土層厚度不應(yīng)小于50mm，且對于混凝土的強(qiáng)度來說其等級不應(yīng)低于C20，但也不宜高于C40。同時在混凝土層內(nèi)應(yīng)分縱橫兩個方向配置直徑6—8mm、間距150—200mm的鋼筋網(wǎng)，鋼筋應(yīng)錨固在剪力墻內(nèi)；同時，樓蓋的預(yù)制板板縫寬度過大，當(dāng)預(yù)制板縫大于40mm時應(yīng)在板縫內(nèi)配置鋼筋，鋼筋的長充應(yīng)該足夠長能夠貫穿整個結(jié)構(gòu)單元。對于預(yù)制板板縫、板縫梁的混凝土強(qiáng)度來說，其混凝土強(qiáng)度等級應(yīng)高于預(yù)制板的混凝土強(qiáng)度等級，且不應(yīng)低于C20。

2.4抗震等級的設(shè)計(jì)

高層結(jié)構(gòu)的抗震等級的設(shè)計(jì)要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡卣鸢l(fā)生狀況，按照百年一遇、兩百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，在可能的情況下，還要提高抗震等級。當(dāng)本區(qū)域的抗震防烈度為6到8度時，抗震等級還要在這個基礎(chǔ)上再提高一度。在進(jìn)行高層建筑的抗震設(shè)計(jì)時，其鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件所采用的抗震等級，主要考慮到設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度，因這三個因素不同而采用不同的抗震等級。一般來說，高層建筑都是有地下室的，當(dāng)高層建筑把地下室頂層作為其嵌固端時，這時地下室的抗震強(qiáng)度就應(yīng)該與整體結(jié)構(gòu)完全相同，否則仍然會對整體建筑有著較大的影響。如果不是這樣，那么地下室的抗震等級可以稍微降低一下需求，根據(jù)每個地區(qū)的具體情況采用三級或四級。

3.結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中占據(jù)全面的工作，要建設(shè)扎實(shí)的理論知識、創(chuàng)新的思路和認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度。設(shè)計(jì)工作人員要從每一個基本的結(jié)構(gòu)抓起，并配合其他的專業(yè)人士的工作經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]段鳳英.對現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量控制之我見[J].改革與開放，2009（05）

[2]方鄂華主編.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012（05）