分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題與建議

王學(xué)斌

摘要：近幾年來(lái)，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高層建筑也日益增多，因而對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)問(wèn)題的要求也越來(lái)越重視。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)集綜合性、技術(shù)性、安全性為一體的工作，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)的發(fā)展有著重要的意義。因此開(kāi)展高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題及對(duì)策的探討意義重大。深入研究當(dāng)前我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，創(chuàng)新高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，是今后設(shè)計(jì)單位在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的重要課題。

關(guān)鍵詞：高層建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，問(wèn)題，原則

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意和遵循的重要標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，也是高層建筑設(shè)計(jì)單位提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量與效益的重要保障。只有在一定的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則支持下，才可以進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？傮w來(lái)講，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則主要包括以下幾點(diǎn)：

1.1 基礎(chǔ)方案合理。

合理的建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)單位需要根據(jù)實(shí)際施工地質(zhì)條件，根據(jù)實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)施工需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案需要配置完善的施工地質(zhì)勘察報(bào)告，最大程度的發(fā)揮建筑物地基的潛力，必要的情況下設(shè)計(jì)人員還需要對(duì)地基的變形做好相應(yīng)的驗(yàn)算。另一方面，設(shè)計(jì)單位還需要對(duì)建筑物進(jìn)行綜合性分析，尤其是對(duì)于建筑物負(fù)荷以及上部結(jié)構(gòu)類(lèi)型，通過(guò)對(duì)這些綜合性分析，最終選定最適合的基礎(chǔ)方案，從而可以在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)上獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 計(jì)算簡(jiǎn)圖適當(dāng)。

計(jì)算簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)，也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的重要問(wèn)題，主要原因在于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)一些基本的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，而這些計(jì)算分析都必須要建立在計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)之上。只有通過(guò)計(jì)算簡(jiǎn)圖基礎(chǔ)之上的數(shù)據(jù)分析，才可以提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性以及牢靠性。舉例來(lái)講，建筑物結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，建筑物結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)并不是我們傳統(tǒng)觀(guān)念中的鉸節(jié)點(diǎn)或者是鋼節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行計(jì)算簡(jiǎn)圖設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深入研究，提高計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算的精確性，進(jìn)而將計(jì)算簡(jiǎn)圖的誤差控制在合理的范圍內(nèi)。

1.3 結(jié)構(gòu)措施完善。

除了基礎(chǔ)方案合理以及計(jì)算簡(jiǎn)圖適當(dāng)這兩大基本原則之外，還有一條基本原則是設(shè)計(jì)單位經(jīng)常忽略的，那就是結(jié)構(gòu)措施完善原則。設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意結(jié)構(gòu)組件的延展性，例如建筑物中鋼筋的錨固長(zhǎng)度等。同時(shí)，設(shè)計(jì)單位還需要注意建筑物薄弱環(huán)節(jié)以及建筑物本身溫度對(duì)于建筑物組件的影響，對(duì)于這兩方面的問(wèn)題，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎以及強(qiáng)壓弱拉”的基本原則，只有這樣才可以提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性以及牢靠性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題與策略

2.1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高度問(wèn)題及解決。

我國(guó)有關(guān)部門(mén)對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)體系的最大高度問(wèn)題，出臺(tái)了一系列的規(guī)章制度，對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定與規(guī)范，其中之一便是《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。該《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)體系的高度問(wèn)題規(guī)定，主要是從經(jīng)濟(jì)性以及適用性等方面進(jìn)行規(guī)范的?！兑?guī)程》所規(guī)定的結(jié)構(gòu)體系最適宜高度，不僅僅與我國(guó)建筑施工技術(shù)水平以及建筑水平相關(guān)，而且還與我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，與建筑工程規(guī)范體系相協(xié)調(diào)。但是在實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工中，出現(xiàn)了許多與《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定相違背的高度。舉例來(lái)講，在有些建筑物設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中，甚至出現(xiàn)了高達(dá)四百多米的組合機(jī)構(gòu)大廈以及三百多米的混凝土結(jié)構(gòu)體系的廣場(chǎng)。尤其是近幾年來(lái)，建筑物的高度不斷增加，建筑物自身的參考系數(shù)已經(jīng)超出了《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，例如在安全指標(biāo)、荷載取值以及延性要求、材料性能、力學(xué)模型選擇等方面。為此，對(duì)于這些高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高度問(wèn)題，設(shè)計(jì)單位需要嚴(yán)格根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等有關(guān)規(guī)定，對(duì)設(shè)計(jì)高度保持科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

2.2 鋼筋混凝土梁承載力問(wèn)題及解決。

一般來(lái)講，城市高層建筑主要是以寫(xiě)字樓以及其他辦公場(chǎng)所為主，因此，在實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)單位需要著重考慮到空調(diào)、消防等設(shè)備。這些設(shè)備不同于其他設(shè)備，它們往往是布置于樓層的梁底之下的，如果沒(méi)有梁底開(kāi)洞，就沒(méi)有辦法進(jìn)行設(shè)備的安裝。因此，在設(shè)備安裝之前，設(shè)計(jì)單位需要對(duì)梁的承載力進(jìn)行分析以及計(jì)算，避免出現(xiàn)由于梁底承載力不足而出現(xiàn)安全結(jié)構(gòu)問(wèn)題。對(duì)于梁底開(kāi)洞之后的承載力，設(shè)計(jì)單位可以通過(guò)孔洞周邊補(bǔ)強(qiáng)筋以及開(kāi)孔梁撓度、裂縫寬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)于鋼筋混凝土梁腹部開(kāi)孔，國(guó)家出臺(tái)了有關(guān)政策，例如《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊(cè)》等，對(duì)于鋼筋混凝土梁腹部開(kāi)孔的位置、流程、環(huán)節(jié)以及大小等進(jìn)行了科學(xué)的規(guī)定。設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行鋼筋混凝土梁承載力計(jì)算時(shí)，還需要參考不同種類(lèi)腹部開(kāi)孔方式，提高鋼筋混凝土梁承載力計(jì)算的精確度，這對(duì)于提高建筑物的穩(wěn)定性以及安全性意義重大。除此之外，還可以對(duì)鋼筋混凝土梁承載力進(jìn)行有效地計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中還需參考不同種類(lèi)的腹部開(kāi)孔方式。

2.3 抗震構(gòu)造與框架梁設(shè)計(jì)問(wèn)題及解決。

為了進(jìn)一步提高城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性以及穩(wěn)定性，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做出了重大的努力，取得了重大的突破，高層建筑結(jié)構(gòu)安全性以及穩(wěn)定性水平得到進(jìn)一步提升。但是由于我國(guó)的建筑物抗震標(biāo)準(zhǔn)較低，在抗震與構(gòu)造方面，很難處理好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震烈度之間的關(guān)系。為此，在實(shí)際的高層建筑抗震與構(gòu)造設(shè)計(jì)中，抗震與構(gòu)造設(shè)計(jì)需要有一定的彈性，這樣才可以滿(mǎn)足高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性以及穩(wěn)定性要求。舉例來(lái)講，中震烈度的重現(xiàn)期是475年，被超越率是10%；大震的重現(xiàn)期約為2000年，被超越率是2%。我國(guó)建筑構(gòu)造規(guī)定的安全度及抗震計(jì)算方法也相對(duì)較低，且在軸壓比、配筋率以及梁柱承載力匹配程度等抗震延性的相關(guān)規(guī)定也不夠嚴(yán)格。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造價(jià)在建筑整體投資之中比例的減少也應(yīng)給予重視，尤其是在高烈度區(qū)域應(yīng)有嚴(yán)格的抗震方法以及構(gòu)造措施來(lái)保證建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。另一方面，在實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要進(jìn)一步解決與框架柱和剪力墻相連的框架梁設(shè)計(jì)問(wèn)題。就高層建筑結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計(jì)而言，豎向變形差過(guò)大通常會(huì)導(dǎo)致與框架柱和剪力墻相連的框架梁出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，進(jìn)而影響到框架梁截面設(shè)計(jì)。

框架梁端部豎向變形差所引起的剪力和固端彎矩的計(jì)算函數(shù)式如下：

其中，MAB/MBA為框架梁固端彎矩；QAB/QBA為框架梁端剪力；Δ為框架梁端部豎向變形差；Ib為框架梁截面慣性矩；I為框架梁計(jì)算長(zhǎng)度。

針對(duì)與框架柱和剪力墻相連的框架梁超筋問(wèn)題，可以從優(yōu)化結(jié)構(gòu)的軸壓比以及提高計(jì)算方法的合理性?xún)蓚€(gè)方面進(jìn)行解決。

3 結(jié)語(yǔ)

改革開(kāi)放以來(lái)，伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加上科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)高層建筑行業(yè)取得了重大的突破。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，不僅僅影響到高層建筑實(shí)施施工，而且還直接影響到高層建筑建設(shè)以及后期養(yǎng)護(hù)的順利開(kāi)展。本文主要研究高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題與策略，為設(shè)計(jì)單位在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步開(kāi)展提供借鑒。