分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中問(wèn)題及其對(duì)策

唐英杰

摘要：高層建筑的快速發(fā)展使得房屋結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)手段不斷地更新變化。因此，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討具有重要意義。本文首先分析了高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其后就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題及對(duì)策進(jìn)行了具體的探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問(wèn)題；對(duì)策

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題與對(duì)策

1.1 消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

①由于高層建筑存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能需求多樣的特點(diǎn)，導(dǎo)致其消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也相對(duì)更為復(fù)雜；②因?yàn)楦邔咏ㄖ惺褂玫牟牧隙酁榭扇夹圆牧?，從而?duì)高層建筑的火災(zāi)情況帶來(lái)了一定的隱患。同時(shí)，因?yàn)楦邔咏ㄖ羞€具有風(fēng)力大、空氣流動(dòng)強(qiáng)的特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)火災(zāi)則很可能造成更為嚴(yán)重的災(zāi)害。另外，由于高層建筑樓層較多，在對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中也都將其設(shè)計(jì)為垂直形態(tài)，而在這中形態(tài)之中一旦發(fā)生火災(zāi)，那么對(duì)居民疏散則需要更多的時(shí)間，這也為高層建筑的消防問(wèn)題帶來(lái)了威脅。

1.2 扭轉(zhuǎn)問(wèn)題

結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心、剛度中心、幾何中心是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑三心，建筑三心合一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要目標(biāo)。然而，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，三心存在著扭曲現(xiàn)象，設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)三心的真正合一，進(jìn)而在水平壓力的影響下，高層建筑產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的情況，給高層建筑的安全帶來(lái)巨大的隱患。

1.3 抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題

在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其抗震設(shè)計(jì)意義重大。我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，若是建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不到位，就會(huì)對(duì)使用者的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大的威脅。特別是對(duì)于高層建筑而言，其在地震發(fā)生過(guò)程中存在諸多不確定的因素，而在目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也沒(méi)有對(duì)當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)如何有效地進(jìn)行避震以及其可能帶來(lái)的破壞性進(jìn)行足夠的考慮。而如果在設(shè)計(jì)的過(guò)程中沒(méi)有對(duì)高層建筑的相關(guān)抗震數(shù)據(jù)較為精確的分析，且不能夠根據(jù)地震發(fā)生原理為依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，則很有可能由于高層建筑抗震性能的不足而存在一定的安全隱患。

1.4 抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

因?yàn)楦邔咏ㄖ母叨葐?wèn)題，使得其抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要意義。風(fēng)速大小與高度有關(guān)，一般近地面處的風(fēng)速較小，愈向上風(fēng)速逐步加大。風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律一般用指數(shù)函數(shù)表示，即

Vz= VH（Z/H）α

式中：H、VH———分別為標(biāo)準(zhǔn)高度（例如 10m）及該處的平均風(fēng)速；

α———地面粗糙度系數(shù)；地表粗糙程度愈大，α值則愈大。

通過(guò)上式可以表明，高層建筑因?yàn)樽陨砀叨仍?，其所受到的風(fēng)壓也更大，其建筑物周?chē)娘L(fēng)會(huì)在一定作用之下對(duì)建筑產(chǎn)生一種類(lèi)似于振動(dòng)的效果，并使其承受相當(dāng)?shù)暮奢d力，從而使建筑的自身安全受到威脅，嚴(yán)重的還會(huì)使建筑主體結(jié)構(gòu)被破壞、墻體斷裂等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決對(duì)策

2.1 優(yōu)化消防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中注意防火是很關(guān)鍵的。首先，防火間距要合理，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作，精確地測(cè)出建筑物之間的實(shí)際距離。然后，對(duì)于設(shè)計(jì)要因地制宜，防火結(jié)構(gòu)一定要符合實(shí)際的地形情況。除此之外還有安全疏散通道的設(shè)計(jì)也很重要。一般而言，安全疏散通道應(yīng)該進(jìn)行垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且盡量多設(shè)計(jì)幾條，利于慌亂人群的疏散。安全疏散通道中一定要設(shè)計(jì)防煙區(qū)，避免煙霧將疏散的人群?jiǎn)軙灐ＴO(shè)計(jì)人員可以使用分隔式的設(shè)計(jì)，可以更好地控制火勢(shì)和煙霧的蔓延。另外，防火門(mén)、防火墻以及其他防火設(shè)備等也需要設(shè)計(jì)人員注意。

2.2 扭轉(zhuǎn)問(wèn)題優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了防止建筑物由于水平荷載的作用而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞，必須在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，盡可能地使建筑物做到三心合一。在某些情況下，由于城市規(guī)劃對(duì)街道景觀的要求以及建筑場(chǎng)地的限制，高層建筑不可能全部采用簡(jiǎn)單平面形式。當(dāng)需要采用不規(guī)則一字形、T字形、十字形等比較復(fù)雜的平面形式時(shí)，應(yīng)將凸出部分厚度與寬度的比值控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)。在結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)處于對(duì)稱(chēng)狀態(tài)。

2.3 優(yōu)化抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抗震性能直接決定了建筑物的安全性能，對(duì)于高層建筑來(lái)說(shuō)尤為如此，這就需要我們通過(guò)對(duì)以往的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的優(yōu)化：

（1）選擇具有抗震優(yōu)勢(shì)的場(chǎng)地：①避開(kāi)危險(xiǎn)地帶（例如：斷裂帶等）；②不得將同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)設(shè)置于性質(zhì)截然不同的地基上，若是無(wú)法避開(kāi)，則必須充分考慮到不同土層差異運(yùn)動(dòng)的影響，并使用局部深基礎(chǔ)，使整個(gè)建筑物的基礎(chǔ)落在同一上層上；③同一結(jié)構(gòu)單元部分不得部分采取天然地基、部分采取樁基，可采取設(shè)置沉降縫的方法，將其分為兩個(gè)單元；④若是地基是軟弱粘性土、液化土、新近填土或嚴(yán)重不均勻土層時(shí)，應(yīng)估計(jì)地震時(shí)地基不均勻沉降或其他不利影響，并采取相應(yīng)措施，基礎(chǔ)應(yīng)加強(qiáng)其整體性和剛性。

（2）加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，科學(xué)設(shè)置抗側(cè)力構(gòu)件的位置，從而使其能夠具有更為合理的承載力分布體系。同時(shí)由于垂直方向結(jié)構(gòu)的關(guān)系，則應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步增強(qiáng)其構(gòu)件的強(qiáng)度以及剛度，從而使其得到更為連續(xù)的穩(wěn)定性。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)平面進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少相關(guān)的平面布置，從而通過(guò)合理的施工設(shè)計(jì)使地基的強(qiáng)度以及剛度得到增強(qiáng)。同時(shí)，提高建筑結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的抗側(cè)力，并盡可能滿足其承載力所需的延續(xù)性，從而使建筑的抗震能力得到提高。

（3）重點(diǎn)考慮剪力墻截面問(wèn)題，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取連續(xù)梁的方法構(gòu)成一套具有更好延續(xù)性的結(jié)構(gòu)體系，沿梁全長(zhǎng)頂面和底面均應(yīng)配置一定直徑的鋼筋：一、二級(jí)抗震，鋼筋直徑≥14mm；三、四級(jí)抗震，鋼筋直徑≥12mm。

（4）應(yīng)當(dāng)保證簡(jiǎn)體構(gòu)件具有對(duì)稱(chēng)的布置狀態(tài)以及良好的完整性，并使筒角內(nèi)壁同洞口之間保持適當(dāng)?shù)拈g距并增加其厚度，從而使建筑底部結(jié)構(gòu)能夠更好地滿足抗震需求。

2.4 優(yōu)化抗風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高層建筑的設(shè)計(jì)中，其建筑的抗風(fēng)性應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這就需要在建設(shè)的過(guò)程中保證選擇級(jí)配比較高的砂石，并對(duì)材料回填過(guò)程的密實(shí)程度進(jìn)行保證，從而保證建筑在水平作用力施壓下不會(huì)出現(xiàn)傾覆性趨向。

另外則應(yīng)當(dāng)在持力層底部設(shè)置相應(yīng)的抗拔錨桿，從而能夠通過(guò)相關(guān)的鉆孔、安裝以及注漿一系列工作使錨桿的功能得到增強(qiáng)，并使其抗拔強(qiáng)度得到保障。②在對(duì)建筑非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)耗能減震系統(tǒng)良好的利用使風(fēng)力對(duì)于建筑的影響得到降低。在這個(gè)系統(tǒng)中，主要以樓板、剪力墻以及耗能支撐等部件所組成，并保證能將這種減震系統(tǒng)設(shè)置在合理的位置中，從而使耗能減震的作用得到加強(qiáng)。③由于高層建筑往往面臨較大的風(fēng)壓，在這種強(qiáng)大風(fēng)壓的作用之下也會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力得到提高，而一旦這種壓力超出了其所能承受的最大值，就會(huì)使風(fēng)荷載同水平力之間出現(xiàn)重疊問(wèn)題，從而對(duì)建筑整體造成結(jié)構(gòu)性破壞。所以就應(yīng)當(dāng)對(duì)風(fēng)壓較高的位置進(jìn)行加固，首先應(yīng)當(dāng)對(duì)建筑實(shí)際風(fēng)壓作用力的大小進(jìn)行分析，如下式所示為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式，同時(shí)對(duì)建筑土壓力進(jìn)行控制，并在此基礎(chǔ)上對(duì)建筑的水平荷載內(nèi)力進(jìn)行加強(qiáng)：

Wk=βZμSμZW0

式中：W0———基本風(fēng)壓值；

μZ———風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

μS———風(fēng)載體形系數(shù)；

βZ———風(fēng)振系數(shù)。

3、結(jié)語(yǔ)

總而言之，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為一個(gè)復(fù)雜性、技術(shù)性、綜合性的工作，對(duì)于高層建筑的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。隨著科技的發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。在實(shí)際工作中，必須根據(jù)高層建筑的構(gòu)造特點(diǎn)，所遇的問(wèn)題不同就需要用不同的方法來(lái)解決。

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