高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策探討

宗靖　秦峻英

（桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院　廣西桂林市　541002）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策探討

宗靖秦峻英

（桂林市建筑設(shè)計(jì)研究院廣西桂林市541002）

本文通過(guò)對(duì)高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及其中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出一些措施，期望能更好的促進(jìn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定高層建筑結(jié)構(gòu)的同時(shí)提高高層建筑結(jié)構(gòu)安全的效果。

高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題及對(duì)策

前言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展和建筑科技的不斷進(jìn)步，城市的高層建筑數(shù)量和層次均有了較大的進(jìn)步，很多的中大城市甚至出現(xiàn)了超高層建筑，并逐漸發(fā)展成為一種城市發(fā)展趨勢(shì)。在這一趨勢(shì)背景下，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的重要性越來(lái)越凸顯，特別在其安全性、個(gè)體差異性、廣泛性方面都提出了新的、更高的要求，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要特別注重掌握高層建筑特點(diǎn)，掌握其設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在堅(jiān)持質(zhì)量、安全和經(jīng)濟(jì)的原則下，提升高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平。

1　高層建筑結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)

高層建筑由于建筑位置高度較高，必須考慮到更多的外來(lái)因素，比如地震、外部荷載、風(fēng)力等，高層建筑不僅僅要承受自身垂直方向的重應(yīng)力荷載，還要承受來(lái)自外界水平方向風(fēng)力產(chǎn)生的荷載，諸如此類因素均是加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的重要方面。隨著未來(lái)高層建筑高度的不斷加高，為了防止更為嚴(yán)重的外來(lái)因素和位移影響，高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)還要將抗側(cè)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確立為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方面。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)原則

2.1科學(xué)合理的基礎(chǔ)方案

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和前提就是要有良好的建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位通常要掌握設(shè)計(jì)地域的地質(zhì)條件，根據(jù)實(shí)際施工需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)還要出具較為完善的地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，發(fā)揮建筑地基的最大潛力，如果需要還要針對(duì)地基有可能出現(xiàn)的變形做好調(diào)查研究。此外，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)還要對(duì)建筑進(jìn)行綜合性分析，尤其是符合情況和上部結(jié)構(gòu)。把這些要素綜合起來(lái)分析，敲定最終的科學(xué)合理的基礎(chǔ)方案，從而提高設(shè)計(jì)單位經(jīng)濟(jì)效益。

2.2科學(xué)適當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖

另一個(gè)高層設(shè)計(jì)中需要注意的重要事項(xiàng)就是計(jì)算簡(jiǎn)圖的設(shè)計(jì)，主要原因就是在對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，而這些所有的這些分析都要建立在計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上，只有計(jì)算簡(jiǎn)圖基礎(chǔ)上的分析數(shù)據(jù)，才可以提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)牢靠性和安全性。比如：高層建筑的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)不再是傳統(tǒng)的鋼節(jié)點(diǎn)和鉸節(jié)點(diǎn)，這就需要我們對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的分析研究，利用計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而更好的提高計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算的準(zhǔn)確性和精確性，把計(jì)算簡(jiǎn)圖控制在合理的誤差范圍內(nèi)。

3　基本要求

3.1規(guī)則性

（1）不要采用不規(guī)則的結(jié)構(gòu)體系。建筑結(jié)構(gòu)首先要符合抗震概念設(shè)計(jì)需求。①必須具有一定的剛度、承載度和變形能力；②要避免因建筑構(gòu)件和結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失風(fēng)荷載、承受荷載和地震作用的能力；③對(duì)有可能出現(xiàn)問(wèn)題的薄弱環(huán)節(jié)，要采取一定的有效舉措予以加強(qiáng)。

（2）高層建筑的結(jié)構(gòu)體系要符合下列要求：①水平布置和結(jié)構(gòu)的豎向宜具有合理的承載力和剛度分布，避免因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和局部突變而形成薄弱環(huán)節(jié)。②宜具有較多的抗震防線。

3.2主要特征

抗側(cè)力建筑及其結(jié)構(gòu)的平面布置宜采用對(duì)稱規(guī)則，并具有較好的整體性；建筑的豎向剖面和立面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，側(cè)向剛度宜均勻變化，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載力和剛度突變。

規(guī)則結(jié)構(gòu)一般指：平面立面規(guī)則，結(jié)構(gòu)平面布置對(duì)稱、均勻并具有較好的抗扭剛度；結(jié)構(gòu)豎向布置均勻，結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和質(zhì)量分布均勻，無(wú)突變。

3.3滿足規(guī)則平面布置的要求

（1）結(jié)構(gòu)平面布置必須考慮有利于抵抗豎向和水平荷載，傳力直接，受力明確，力爭(zhēng)做到均勻?qū)ΨQ，減少扭轉(zhuǎn)影響。在地震作用下，建筑平面要力求簡(jiǎn)單、規(guī)則，風(fēng)力作用下則可適當(dāng)放寬?？拐鹪O(shè)防的高層建筑，平面形狀宜對(duì)稱、簡(jiǎn)單、規(guī)則，以減少地震帶來(lái)的傷害。

（2）在一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使用結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則，剛度、承載力分布均勻的平面布置，不要采用不規(guī)則的平面布置。

（3）抗震設(shè)計(jì)B級(jí)的混合結(jié)構(gòu)高層建筑和高度鋼筋混凝土高層建筑，其平面布置應(yīng)簡(jiǎn)單、規(guī)則。

4　存在的問(wèn)題及對(duì)策

4.1結(jié)構(gòu)超高問(wèn)題及對(duì)策

高是高層建筑最大最顯著的特點(diǎn)，這種建筑物本身的高度特性使得建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得越來(lái)越困難，比如在抗震規(guī)定中對(duì)建筑的高度就有著嚴(yán)格的規(guī)范，尤其是目前新制定的范圍中對(duì)建筑物超高問(wèn)題進(jìn)行了一系列非常明確的限制。另外當(dāng)前建筑的實(shí)際施工過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)類型改動(dòng)的情況，而計(jì)劃是按原來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行的，因此使得實(shí)際情況和原定計(jì)劃之間存在較大的誤差。結(jié)構(gòu)超高不符合規(guī)范為后期的高層建筑安全問(wèn)題埋下了隱患。其有效對(duì)策為：新規(guī)范對(duì)高層建筑添加了更多的限制條件，按照新規(guī)范設(shè)計(jì)高層建筑的安全性，強(qiáng)調(diào)高層建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)范性設(shè)計(jì)。

4.2地下室層高問(wèn)題及對(duì)策

地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般不可能做大幅度的調(diào)整和改變，而且地下室的層數(shù)直接影響到整個(gè)建筑的建造，比如：土方開(kāi)挖、降水要求、抗浮水位、基坑支護(hù)以及施工工期等。所以一般建筑的設(shè)計(jì)人員會(huì)把層高壓得很低，而提高地下室頂板結(jié)構(gòu)的最低點(diǎn)是縮短地下室凈高的最有效的方法。針對(duì)這一問(wèn)題，其一般處理方法是采用預(yù)應(yīng)力空心樓板、無(wú)梁樓蓋或?qū)挶饬旱?。在建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)計(jì)算到滿足嵌固端要求的底板或地下室層數(shù)，在布置柱網(wǎng)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)地下室的建筑的布置作合理的調(diào)整來(lái)減少地下室的凈高。這些都對(duì)減少地下室造價(jià)起著很大的作用。

4.3抗浮問(wèn)題及對(duì)策

如果建房區(qū)域高層建筑地下室埋藏較深或地下水的水位較淺時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)抗浮不足的情況發(fā)生。應(yīng)采取以下幾種舉措：①在設(shè)計(jì)允許的前提下，提高坑底設(shè)計(jì)高度，降低抗浮設(shè)防水位。②高層建筑設(shè)計(jì)建議采取寬扁梁或無(wú)梁樓蓋設(shè)計(jì)形式，一般情況下，寬扁梁的截面高度是跨度的約6%，可以進(jìn)一步降低抗浮設(shè)防水位。③最直接的方法就是在增加地下室重量的同時(shí)，加大地下室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的層高。④通過(guò)設(shè)置抗拔樁解決抗浮問(wèn)題。該方法一般應(yīng)用在裙樓等地下室上部建筑層數(shù)不多的部分。

4.4不均勻沉降問(wèn)題及對(duì)策

①設(shè)置高層建筑與裙房之間沉降縫，這樣做可以使各個(gè)部分沉降自由，互不影響，也可避免不均勻沉降所產(chǎn)生的內(nèi)力。②裙房和高層建筑之間采用端承樁的方式，將端承樁設(shè)置在堅(jiān)硬的基巖上。

4.5裂縫控制問(wèn)題及對(duì)策

在工程建設(shè)實(shí)踐中，由于受基坑邊壁和地下室結(jié)構(gòu)本身等因素的約束和影響，地下室的外墻混凝土很容易出現(xiàn)收縮的現(xiàn)象。處理這種現(xiàn)象的對(duì)策主要是：根據(jù)裂縫的寬度驗(yàn)算來(lái)控制配筋量，一般情況下，外墻裂縫寬度通常要控制在0.2mm以內(nèi)，由于高層建筑地下室的整體超長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)上應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)手段，有效防止建筑裂縫的不斷擴(kuò)大，應(yīng)采取的主要措施有補(bǔ)償收縮混凝土，即在混凝途中摻入HEA、UEA等微膨脹劑。

4.6高層建筑結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題設(shè)計(jì)及建議

①減少地震能量輸入，高層建筑受地震破壞主要體現(xiàn)在地震時(shí)產(chǎn)生的能量輸入高層建筑后，使其受到共振和沖擊破壞這兩個(gè)方面，采取的對(duì)策是在考慮地勢(shì)地形的前提下，選擇比較堅(jiān)硬的地基來(lái)建造一個(gè)堅(jiān)實(shí)的地基，不僅僅可以明顯減少地震所產(chǎn)生的能量輸入，而且還可以有效地防止共振破壞。②選用較為合適的結(jié)構(gòu)材料。在設(shè)計(jì)和材料選擇上：a.要專業(yè)設(shè)計(jì)人士學(xué)會(huì)創(chuàng)新，需要過(guò)硬的人員素質(zhì)，需要?jiǎng)?chuàng)新能力和實(shí)踐能力的結(jié)合。b.材料選擇也是決定高層建筑抗震的主要因素，當(dāng)今社很多的豆腐渣工程被揭露出來(lái)，這里面固然有施工人員的素質(zhì)問(wèn)題，但更為主要的還是建筑物的材料問(wèn)題，差的材料不僅僅影響房屋的質(zhì)量，對(duì)房屋的抗震性影響也很大。③減輕高層建筑的結(jié)構(gòu)自重。除了以上兩點(diǎn)，在高層建筑的設(shè)計(jì)之中還要充分考慮高層的特殊性，適當(dāng)舍去一些低層建筑必需而高層不一定需要的東西。另外，還可以利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)為高層建筑的抗震提供服務(wù)，更好的減輕高層建筑自重。④設(shè)置多道抗震防線。設(shè)置多道防線的最大好處就是在第一道防線失守后，后面的抗震防線還可以繼續(xù)發(fā)揮作用，發(fā)揮備用作用，這樣做不僅增加了抗震的效果，還可以增強(qiáng)地震受災(zāi)人員的心理防線。⑤推廣消能隔震和減震設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外普遍使用的傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系是延性結(jié)構(gòu)體系，適當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的剛度進(jìn)行控制，同時(shí)容許結(jié)構(gòu)的構(gòu)建在地震時(shí)通過(guò)進(jìn)入非彈性狀態(tài)獲得較大延性，從而達(dá)到減輕地震反應(yīng)、消耗能量的目的，保證高層建筑物不發(fā)生倒塌。這一設(shè)計(jì)雖然是比較傳統(tǒng)的方法，但是它能夠有效的保證建筑的抗震能力，值得去發(fā)揚(yáng)光大。

5　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要考慮的是其與多層建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)和特性的不同。風(fēng)和地震的水平荷載是高層建筑中起到控制作用的主要因素，而不是豎向荷載，所以作為建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)，一定要遵循高層建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范和原則，充分考慮到影響施工各方面的因素，然后根據(jù)具體的情況，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)選型等操作，在建立初步的設(shè)計(jì)方案之后，要根據(jù)整體的情況進(jìn)行分析，最終確定最合理的方案。

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TU973+.2

A

1673-0038（2015）38-0003-02

2015-7-27

宗靖（1983-），男，中級(jí)，學(xué)士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

秦峻英（1981-），女，中級(jí)，大學(xué)本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。