芻議高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

文會杰

摘要：對于高層建筑的現(xiàn)狀發(fā)展，在國內(nèi)的現(xiàn)代化城市中所占的地面比例是越來越大，而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的變化也越來越多，很多新興的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以迅猛的速度呈現(xiàn)在我們的城市建設(shè)中。通過分析高層建筑本身特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)踐中高層建筑可能出現(xiàn)的問題，總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的解決提出建設(shè)性的建議。

關(guān)鍵詞：高層建筑工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)；問題簡析

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1整體結(jié)構(gòu)更具有柔和性

與底層建筑相比，高層建筑的整體結(jié)構(gòu)更具有柔和性的特點(diǎn)，在地殼運(yùn)動和具有震動性環(huán)境中極易發(fā)生變形，導(dǎo)致建筑物的傾斜，倒塌。因此高層建筑的結(jié)構(gòu)延展性應(yīng)當(dāng)作為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，在構(gòu)造上采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀苊飧邔咏ㄖ苄宰冃坞A段之后延展能力的喪失，使其具有更強(qiáng)的抗震性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而保障住戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1.2豎向載重負(fù)荷較大

高層建筑的第一個特點(diǎn)就在于豎向利用空間，這也是在現(xiàn)代城市寸土寸金情形下成為城市建設(shè)設(shè)計(jì)寵兒的首要原因。高層建筑的豎向載荷很大，就可能在柱中引起較大的軸向變形，這樣一來，一方面對連續(xù)梁彎矩會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，對于連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩而言，就會導(dǎo)致負(fù)彎矩減小，而對于跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值而言，就會導(dǎo)致兩者的擴(kuò)張，不利于高層建筑的穩(wěn)固性。另一方面，對于構(gòu)件下料長度的預(yù)測，是依據(jù)軸向變形的計(jì)算值來對下料長度進(jìn)行逐步調(diào)整，一旦對軸向變形計(jì)算值不準(zhǔn)，會進(jìn)一步影響構(gòu)件剪力和側(cè)移，從而會導(dǎo)致建筑的不安全因素增加。因此，鑒于高層建筑豎向載重負(fù)荷較大的特點(diǎn)，要充分考慮軸向變形的程度。

1.3水平荷載的重要作用

所謂水平荷載是指，物體受水平方向的作用力，在高層建筑的設(shè)計(jì)時，一旦高度確定，其豎向荷載基本上為定值，變動幅度不大，而建筑的穩(wěn)定性是與高層建筑的荷載能力與建筑高的比值度緊密相關(guān)的，一般而言，建筑高度與建筑物自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值為正相關(guān)，而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩和由此在豎構(gòu)件中引起的軸力的數(shù)值，是與建筑高度的平方成正比，因此豎向荷載大體定值的情況下，可以通過結(jié)構(gòu)特性不同可以改變的水平荷載就成為設(shè)計(jì)時重點(diǎn)注意的地方，將水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用數(shù)值通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制在有利于建筑的最完美的狀態(tài)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

2.1精確原則

這體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖選擇和合理誤差的處理上，建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算式計(jì)算結(jié)果的精確性是關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)安全的重要因素，因此在計(jì)算簡圖的選擇上要選用得當(dāng)，保證計(jì)算結(jié)果的精確性，同時計(jì)算簡圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。在實(shí)踐中，結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的鉸結(jié)點(diǎn)和剛結(jié)點(diǎn)，因此要考慮到計(jì)算簡圖的合理誤差，在結(jié)構(gòu)實(shí)際情況與程序不符的情況下，要求結(jié)構(gòu)工程師多加校對分析，合理判斷。

2.2合理原則

這體現(xiàn)在合理基礎(chǔ)方案和結(jié)構(gòu)方案的選擇上，結(jié)合場地實(shí)際情況充分考慮。在基礎(chǔ)方案的選擇上要根據(jù)工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素綜合分析，必要時應(yīng)進(jìn)行地基變形驗(yàn)算，將地基的價值發(fā)揮到最大。鑒于基礎(chǔ)深埋對高層建筑的重要影響，在高層建筑中可以加入地下室的設(shè)計(jì)，地下室外墻建議采用鋼筋鹼墻，頂板厚不宜小于160mm，具有較大的層間剛度的地下室利于高層建筑的整體穩(wěn)定，調(diào)整地基不均與沉降。

2.3靈活原則

要認(rèn)識到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是一成不變的，要根據(jù)實(shí)際情況時刻加以調(diào)整的。高層建筑具有工程量大，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)多的特點(diǎn)，因此工程設(shè)計(jì)師要時刻謹(jǐn)記“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓若拉”這一原則，在施工的過程中，要注意構(gòu)件的延性性能，對設(shè)計(jì)中的薄弱部位予以加強(qiáng)，充分考慮溫度應(yīng)力的影響力，此外，還要對材質(zhì)的性能加以考量，例如鋼筋的錨固長度，特別是鋼筋的執(zhí)行段錨固長度。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體問題

3.1剪力墻設(shè)計(jì)問題

短肢剪力墻是指為墻肢截面高厚比為5～8的墻，新規(guī)范根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制，這樣一來工程設(shè)計(jì) 師在高層建筑的設(shè)計(jì)時就應(yīng)避免使用短肢剪力墻，以減少后續(xù)工作中的麻煩。選擇較長剪力墻的設(shè)計(jì)時，加入開洞設(shè)計(jì)，但是要注意當(dāng)墻段高寬比大于2時一般為彎曲破壞，墻段高寬比小于2時一般為剪切破壞，因此每個獨(dú)立墻段的總高度與其截面高度之比不應(yīng)小于2，這樣可以充分提高剪力墻的延性，避免高層建筑的脆性破壞。另外，考慮到單片剪力墻若承擔(dān)過大的水平剪力可能會被最先破壞，就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件依次被破壞，因此在開洞時要形成弱連梁，這樣就要求開結(jié)構(gòu)洞時一定要開大洞，連梁跨高比宜大于6，這樣才能使較長剪力墻開洞后形成兩個較獨(dú)立的墻肢，避免洞口較小時剪力墻因?yàn)閭?cè)向剛度較大，遭到剪切脆性破壞，但是應(yīng)當(dāng)注意的是，墻肢截面高度不宜大于8m，否則不利于高層建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

3.2嵌固端的設(shè)計(jì)問題

嵌固端的選取是高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算中尤為重要的簡化假定，嵌固端大多設(shè)置在地下室頂板或者設(shè)置在人防頂板等位置，在高層建筑中，二層或者二層以上的地下室和人防是普遍設(shè)計(jì)的，也就是說嵌固端在高層建筑中是一個較為頻繁的應(yīng)用，若是忽略這些問題將會給后期的設(shè)計(jì)工作帶來極大的不便，可能會整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的大規(guī)模變動。因此在嵌固端樓板的設(shè)計(jì)上，要充分考慮材質(zhì)和位置上的選擇。另外對于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)等問題都要多加考慮，以防導(dǎo)致后期的設(shè)計(jì)沖突。

3.3軸壓比與短柱的問題

高層建筑整體結(jié)構(gòu)本身更具有柔和性的特點(diǎn)，如果柱的塑性變形能力小，就會使得結(jié)構(gòu)的延性變得差，一旦遭遇地震或者強(qiáng)烈地殼運(yùn)動，柱不能很好地耗散和吸收地震能量，建筑就會面臨傾倒，倒塌的危險。因此高層建筑結(jié)構(gòu)中，為了控制柱的軸壓比，會選擇做柱的截面很大的設(shè)計(jì)，但是在柱的縱向的鋼筋一般選用構(gòu)造配筋，這樣一來即使采用高強(qiáng)混凝土，也不能將柱斷面尺寸控制在較小的尺寸。因此不妨考慮在結(jié)構(gòu)中強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)，將梁的良好延性的特點(diǎn)充分發(fā)揮，這樣柱子進(jìn)入屈服的可能性就會減小，軸壓比值也會隨之減小。另外，對于短柱而言，不能根據(jù)柱的長細(xì)比來確定，而是應(yīng)該根據(jù)柱的剪跨比小于2來確定屬于短柱，這一概念的明確更有利于軸壓比的控制。

3.4安全問題

高層建筑是豎向空間利用，屬于類封閉空間，面對的安全問題主要是在發(fā)生危險時能及時的疏散和避險，因此在空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上總體布局要保證暢通安全，可以在一層多設(shè)通道，便于疏散。保證采光設(shè)施或者照明系統(tǒng)緊急情況下的正常使用，可以選用自于區(qū)域變電所，同時自備的發(fā)電設(shè)備，既經(jīng)濟(jì)也合理。還要考慮合理進(jìn)行防火分區(qū)的設(shè)計(jì)。另外，由于是高層就要考慮防雷擊的問題，好的設(shè)計(jì)就要利用高層建筑物的結(jié)構(gòu)來做好防雷措施，除了常規(guī)裝設(shè)避雷針和避雷網(wǎng)的方法，還可以構(gòu)建接地裝置，利用結(jié)構(gòu)中的主鋼筋作引下線，使鋼筋混凝土基礎(chǔ)作接地裝置，利用扁鋼在建筑物周圍做避雷帶。從而防止雷電對于建筑物的損害。而金屬可能會由于靜電產(chǎn)生火花，導(dǎo)致安全隱患，因此建筑物內(nèi)的金屬物體和突出屋面的金屬物都要和地面相接，減少安全隱患。

4 結(jié)論

鑒于國內(nèi)建筑業(yè)的發(fā)展與時俱進(jìn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在國內(nèi)建筑技術(shù)領(lǐng)域取得了較高的發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個十分復(fù)雜的工作，需要有十分專業(yè)的技能，同時還要有認(rèn)真的工作態(tài)度。這是因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是后續(xù)施工的前提，沒有扎實(shí)的設(shè)計(jì)，后期的施工再好，最終高層建筑工程的質(zhì)量也不會很高。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師不能僅僅重視結(jié)構(gòu)計(jì)算的準(zhǔn)確性而忽略結(jié)構(gòu)方案的具體實(shí)際情況，應(yīng)作出合理的結(jié)構(gòu)方案選擇。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析掌握的知識處理實(shí)際建筑設(shè)計(jì)中遇到了各種問題。