關(guān)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問題的探討

魏巧淋

【摘 要】建筑結(jié)構(gòu)是整個(gè)工程的核心所在，建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性是整個(gè)工程質(zhì)量得以保證的關(guān)鍵。當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展飛速，城市建筑數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，高層和超高層建筑占據(jù)著最主要的比例，所以對(duì)其的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也就顯得尤為重要。下文針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題及提高其設(shè)計(jì)水平的具體措施進(jìn)行了分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題及對(duì)策

引言

城市建設(shè)步伐的加快推動(dòng)了高層建筑物的產(chǎn)生，高層建筑具有高度高、層數(shù)多等特點(diǎn)，高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要本著科學(xué)、合理、安全、高效等原則，不僅能夠?yàn)槿藗兲峁┦褂蒙系谋憷乙惨w現(xiàn)出一定的安全性能，發(fā)揮抗震、抵風(fēng)等方面功能與作用，只有這樣才能體現(xiàn)出高層建筑物的優(yōu)勢(shì)和優(yōu)點(diǎn)，才能有效發(fā)揮其功能和作用。

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的常見問題

1、建筑結(jié)構(gòu)超高。一些城市為了進(jìn)行評(píng)比，在樓宇的高度上不斷進(jìn)行更新，仿佛樓層越高，城市的地位就更靠前。但建筑物不斷超高卻對(duì)抗震性與建筑質(zhì)量提出了更高的要求。相關(guān)的建筑規(guī)范對(duì)建筑物的高度與抗震要求進(jìn)行明確的規(guī)定，無論是多高的建筑物，都需要滿足相對(duì)應(yīng)的抗震等級(jí)要求。

2、樓層平面剛度。樓層平面剛度一直是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)比較棘手的問題。設(shè)計(jì)人員對(duì)高層建筑樓面平面剛度沒有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，在設(shè)計(jì)上只是根據(jù)數(shù)學(xué)力學(xué)模型設(shè)計(jì)樓板變形計(jì)算程序，計(jì)算后所得數(shù)據(jù)往往差強(qiáng)人意。鑒于此，要采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式來設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，前期必須妥善處理一些問題，稍有不慎就可能產(chǎn)生不安全因素，嚴(yán)重者還可能破壞建筑結(jié)構(gòu)的安全性能。

3、高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，用鋼量較省。在高層住宅中，開間均較小，分隔墻較多，合理布置剪力墻是關(guān)鍵。另外，剪力墻外觀整齊，沒有露梁、露柱現(xiàn)象，便于室內(nèi)布置因此，在高層住宅中常采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。在高層剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題，剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度大，結(jié)構(gòu)周期短，地震響應(yīng)大。剪力墻結(jié)構(gòu)墻體越多，建筑物的重量越大，地震反應(yīng)也大，會(huì)造成浪費(fèi)。另外，剪力墻結(jié)構(gòu)墻體多為構(gòu)造配筋，如果配筋率太低，則結(jié)構(gòu)延性差。

4、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)問題。在建筑設(shè)計(jì)中，有一“建筑三心”的概念?！敖ㄖ摹奔礊閹缀涡涡?、剛度中心和結(jié)構(gòu)重心。設(shè)計(jì)師應(yīng)秉承三心合一的原則設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，就是使這三點(diǎn)歸于一點(diǎn)。如果建筑結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的問題，就說明“建筑三心”未能歸一點(diǎn)，使得整體結(jié)構(gòu)承受水平荷載而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)現(xiàn)象。

5、抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在高層建筑設(shè)計(jì)中，抗風(fēng)性研究非常重要。在進(jìn)行設(shè)計(jì)建造時(shí)，要注意抗風(fēng)壓性，對(duì)有效的設(shè)計(jì)非常重要。隨著高層建筑的高度不斷增加，結(jié)構(gòu)本身對(duì)風(fēng)起著擾動(dòng)作用與阻隔作用，不利于風(fēng)量的及時(shí)移動(dòng)，在風(fēng)速較大時(shí)，會(huì)對(duì)靜止的高層建筑產(chǎn)生振動(dòng)效果，從而造成一定的動(dòng)力荷載力，將會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性造成威脅，甚至有可能會(huì)導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致玻璃幕墻破裂、裝飾物毀壞甚至墻體斷裂等工程質(zhì)量受到影響的危險(xiǎn)。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)把握的幾個(gè)要點(diǎn)

1、作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專業(yè)人員，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，有兩個(gè)設(shè)計(jì)元素必須要考慮，即強(qiáng)柱弱梁和強(qiáng)剪弱彎，通常被專業(yè)設(shè)計(jì)人員形象的描述為“抓大放小和分清主次”。這兩項(xiàng)元素考慮合理，設(shè)計(jì)合理，可以有效避免建筑物建筑物受到強(qiáng)大外力時(shí)遭到破壞，提高建筑物的穩(wěn)定性，特別是能保證其核心構(gòu)件不被破壞，使其建筑物整體穩(wěn)固，不會(huì)倒塌，防止人們的生命財(cái)產(chǎn)安全遭到威脅。

2、建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中即要考慮建筑物的剛性適度，又要使其柔性適中，只有剛?cè)峁矟?jì)，才可能保證建筑物質(zhì)量穩(wěn)定，防止坍塌或內(nèi)部整體傾覆現(xiàn)象發(fā)生。建筑物的剛性如果太強(qiáng)，則其建筑物承受變形的能力就會(huì)下降，當(dāng)外界發(fā)生較大波動(dòng)，破壞力增大時(shí)，建筑物自行調(diào)節(jié)變形的能力弱，自然會(huì)導(dǎo)致大面積坍塌，甚至全部破壞，造成人們生命財(cái)產(chǎn)的損失。建筑物設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如果太柔，建筑物的穩(wěn)定性就相對(duì)較低，當(dāng)有外力作用時(shí)，建筑物自我調(diào)節(jié)進(jìn)行變形，由于柔性太強(qiáng)，這個(gè)變形會(huì)產(chǎn)生過度現(xiàn)象，過大的變形會(huì)導(dǎo)致建筑物整體傾覆。所以說，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，一定要?jiǎng)偠?、柔度同時(shí)考慮，做到適中、適宜，確保建筑物既能適當(dāng)變形，又能保證其穩(wěn)定性。

3、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要做到多方面考慮，對(duì)每一個(gè)建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都要重視，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求設(shè)計(jì)，從建筑物的整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)多道防線，步步設(shè)防，從而保證建筑物的整體結(jié)構(gòu)安全。當(dāng)有外界環(huán)境破壞時(shí)，建筑物的每一個(gè)部位都起到抗擊外力的作用，形成一個(gè)抗擊的整體，使災(zāi)難造成的損失降到最低點(diǎn)。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題應(yīng)對(duì)策略分析

1、高度問題。高層建筑物的建筑初期，在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前就要確定好建筑物的高度，控制建筑的高寬比，以此進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣就可以避免多次對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的修改，很大程度生節(jié)省了人力和物力。減少了建筑初期的成本。

2、平面與立面選擇。應(yīng)該秉承建筑三心合一的原則設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)。施工時(shí)，如果無法滿足這個(gè)要求，結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的問題，處理起來相當(dāng)棘手。建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)系一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，其危害不言而喻。選擇立面和平面時(shí)需要注意幾個(gè)問題。首先，平面力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱。對(duì)完全對(duì)稱高層建筑結(jié)構(gòu)，則要按設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)一些重要節(jié)點(diǎn)的比例。切記一點(diǎn)：比例不宜過大過小，出現(xiàn)問題要盡快補(bǔ)救。在豎向布置上，注意剛度均勻、連續(xù)，以防結(jié)構(gòu)軟弱，剛度突變。在建筑設(shè)計(jì)中，切莫為了達(dá)到審美效果而將剪力墻切斷，降低建筑物的剛度，否則將可能產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。

3、剪力墻所承受的豎向荷載，一般是結(jié)構(gòu)自重和樓面荷載，通過樓面?zhèn)鬟f到剪力墻。豎向荷載除了在連梁（門窗洞口上的梁）內(nèi)產(chǎn)生彎矩以外，在墻肢內(nèi)主要產(chǎn)生軸力?？梢园凑占袅Φ氖芎擅娣e簡(jiǎn)單計(jì)算。對(duì)于短肢剪力墻，控制配筋率加強(qiáng)區(qū)1.2%，一般部位1.0%。對(duì)于小墻肢其受力性能較差，應(yīng)嚴(yán)格按高規(guī)控制其軸壓比，宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，并應(yīng)控制其縱向鋼筋配筋率加強(qiáng)區(qū)1.2%，一般部位1.0%。而對(duì)于一個(gè)方向長(zhǎng)肢另一方向短肢的墻體，設(shè)計(jì)中往往就按長(zhǎng)肢墻進(jìn)行暗柱配筋。剪力墻中的連梁跨度小，截面高度大，在地震作用下彎矩、剪力很大，有時(shí)很難進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果加大連梁高度，配筋值有時(shí)反而更大。建筑設(shè)計(jì)中剪力墻運(yùn)用具有較好的抗震性能，且結(jié)構(gòu)布置靈活，造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性好，所以高層建筑較多的使用這種設(shè)計(jì)形式。

4、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)問題。水平荷載能使建筑物產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象。設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，為規(guī)避這一現(xiàn)象，必須按“三心合一”的原則對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)、平面布局進(jìn)行周密的布置。水平荷載的質(zhì)量分布在一定程度上決定了它對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)造成的扭轉(zhuǎn)破壞程度。為了確保水平荷載沿樓層平面均勻分布，最大限度規(guī)避扭轉(zhuǎn)振動(dòng)破壞，建議多使用矩形、方形等平面設(shè)計(jì)。當(dāng)然，必須兼顧城市道路景觀規(guī)劃。因此，高層建筑不可能全部是方方正正的平面構(gòu)造，也要根據(jù)城市規(guī)劃和道路景觀布局適當(dāng)采用十字形、T形或L形等復(fù)雜建筑形式。但至少要明確一點(diǎn)，就是凸出部分的長(zhǎng)度與建筑物寬度的比值不得超限，并且盡量采用對(duì)稱的平面結(jié)構(gòu)。

5、在抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，首先要進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，選擇級(jí)配高的砂石，在結(jié)構(gòu)底部使用抗拔錨桿，穩(wěn)定地基，在高層建筑結(jié)構(gòu)中增加耗能減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過多種元素的綜合，使用強(qiáng)粘彈性的阻尼材料，解決好水平力、風(fēng)荷載造成的荷載疊加問題，對(duì)受力高壓區(qū)進(jìn)行加固處理，精確計(jì)算建筑物的風(fēng)荷載與承載力。

結(jié)束語

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于技術(shù)密集型建設(shè)項(xiàng)目，它具有一定的復(fù)雜性和巨大的挑戰(zhàn)性，在建筑設(shè)計(jì)持續(xù)進(jìn)步的現(xiàn)代社會(huì)，必須加強(qiáng)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，將一切影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素納入考慮范圍，控制不良問題出現(xiàn)的概率，打造出高質(zhì)量、高安全等級(jí)的高層建筑。

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