高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計難點(diǎn)分析

蘆凱鵬 王睿宗

【摘 要】在現(xiàn)在的大規(guī)模的城市建設(shè)中，高層建筑的比重正在提高。高層建筑作為建筑業(yè)的新產(chǎn)品，有著廣闊的發(fā)展前景，有著其他的建筑所沒有的復(fù)雜性和可變性。現(xiàn)在，更多的新型建筑設(shè)計方案以空前的速度出現(xiàn)在城市建設(shè)中。建筑物的類型越來越復(fù)雜，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系也越來越多樣化。這對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計者來說是一個很大的挑戰(zhàn)，基于此文章就高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計難點(diǎn)展開論述。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；難點(diǎn)；對策

引言

隨著城市發(fā)展速率逐步提升，城市發(fā)展資源利用效率提升，逐步成為房產(chǎn)開發(fā)的主要趨向。高層建筑，就是城市土地資源高效利用的代表。為了進(jìn)一步發(fā)揮城市高層建筑，在城市資源高效利用中的作用，就必須準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)的實踐要點(diǎn)。

1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)理論

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，是指在高層建筑模型規(guī)劃階段中，設(shè)計人員結(jié)合高層建筑的相關(guān)要素，開展高層設(shè)計條件的綜合調(diào)節(jié)。一般來說，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計師需結(jié)合高層建筑的地理特征、施工方法、以及建筑設(shè)計的一般特征等條件，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)的把握，因而，其實踐過程具有關(guān)聯(lián)性、基礎(chǔ)性的特征，設(shè)計人員在把握技術(shù)實施要點(diǎn)時，需從其項目具體結(jié)構(gòu)設(shè)計條件整合策略。同時，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員也必須保障設(shè)計創(chuàng)新點(diǎn)，與高層建筑結(jié)構(gòu)的建筑方案結(jié)合在一起，確保高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計美觀性與可靠性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，這也是把握其結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計難點(diǎn)

2.1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制

2.1.1應(yīng)當(dāng)均勻、對稱的布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)

堅持均勻、分散、對稱的基本原則參與高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，是結(jié)構(gòu)工程師須重視的。

在設(shè)計過程中，為做好扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的控制，應(yīng)當(dāng)確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量中心與剛度中心盡可能讓的接近。如果二者偏離較大，則會造成高層建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件布置不均勻，那么建造的高層建筑結(jié)構(gòu)就會在地震作用下發(fā)生較為明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，不利于結(jié)構(gòu)安全保證。

2.1.2應(yīng)當(dāng)確保平面剛度的均勻

平面剛度的均勻與否，決定了處于地震作用下的高層建筑結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞這一現(xiàn)象。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)工程師要充分考慮所有影響剛度均勻與否的因素，其中如何布置剪力墻是一個重要的指標(biāo)。

在設(shè)計中，并可以將剪力墻集中布置在結(jié)構(gòu)的一端，這是因為在地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)會很大，不利于結(jié)構(gòu)主體的安全穩(wěn)固。則需要考慮對稱布置的剪力墻，確保有一個均勻的平面剛度。

2.1.3應(yīng)當(dāng)提升結(jié)構(gòu)的抗扭剛度

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，遵循力學(xué)原理可知，如果構(gòu)件離質(zhì)心越遠(yuǎn)，則其就具有較大的抗扭剛度。未有效提升高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，應(yīng)當(dāng)在結(jié)構(gòu)周邊布置剛度較大的抗側(cè)力構(gòu)件或剪力墻。除此之外，可采取的措施還包括以下幾點(diǎn)：

（1）采取局部加強(qiáng)四周框架梁剛度的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，即將L形剪力墻布置在高層建筑的四角部位；（2）增加剪力墻的厚度；（3）增加周邊剪力墻連梁的高度，具體是把樓面到窗下部分做成連梁，預(yù)留合適大小的窗洞，可以有效提升高層建筑結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

2.2高層建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌設(shè)計

對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，抗倒塌設(shè)計是一項重要的工作。結(jié)構(gòu)工程師往往在設(shè)計中優(yōu)先選擇最經(jīng)濟(jì)的辦法，其中提高結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件的延性是一個很有效的方法。對于不同類型的高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)采取不同的抗倒塌設(shè)計方法，如那些結(jié)構(gòu)相對簡單且剛度沿高度均勻分布的高層建筑，可以考慮提高底層構(gòu)件的延性的方法；有部分高層建筑存在不規(guī)則立面，就需要在體形突變處考慮適當(dāng)增強(qiáng)樓層構(gòu)件延性的方法；很多高層建筑屬于大底盤類型，為提高其抗倒塌能力，可采取提升高主樓與裙房頂面相銜接的樓層中構(gòu)件的延性的方法。

在高層建筑設(shè)計中做到“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”，有助于結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時快速進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，有效的吸收地震所發(fā)散出的能量，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)主體抗御更高烈度地震的能力。地震發(fā)生時，受強(qiáng)震作用，高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配有著一定的規(guī)則，是依據(jù)結(jié)構(gòu)框架中各構(gòu)件的實際承載力進(jìn)行受力分配的，而構(gòu)件截面的實際配筋決定了構(gòu)建承載力大小。

因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌性設(shè)計時，要格外重視構(gòu)件截面縱向鋼筋的配置情況。需要注意的是，過多配置構(gòu)件的配筋會出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱，強(qiáng)桿件弱節(jié)點(diǎn)”的問題，直接的結(jié)果是導(dǎo)致在地震作用下出現(xiàn)構(gòu)件“小震不壞”，但由于延性結(jié)構(gòu)缺乏會導(dǎo)致大震倒的問題。

3更好的實現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體方法

3.1做好高層建筑結(jié)構(gòu)不良地基處理設(shè)計

從高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體觀點(diǎn)來看，在此基礎(chǔ)上需要完善設(shè)計的需求，滿足不良的處理，使得在整體的設(shè)計上保證重要的過程和內(nèi)容。認(rèn)真認(rèn)識高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計中不良地基處理的主要要求和技術(shù)要點(diǎn)，形成更規(guī)范的控制，更準(zhǔn)確地控制地質(zhì)和基礎(chǔ)。為了完善和提高地基的穩(wěn)定性，就要保證在此的安全性能，堅持以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案來實現(xiàn)技術(shù)和工作及其組織，同時還要嚴(yán)格實現(xiàn)高層建筑設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，在此階段需要強(qiáng)化及基本原則，把握好各項基礎(chǔ)設(shè)計中最中心的參數(shù)和規(guī)則。同時在此基礎(chǔ)上，還要保證設(shè)計的質(zhì)量，對于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計上來說，不斷的強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)計和應(yīng)用程序，全面掌握了高層建筑的基本要點(diǎn)，形成了高層建筑基礎(chǔ)的處理的多樣化設(shè)計方案。以在安全可靠的基礎(chǔ)上保證經(jīng)濟(jì)合理的原則，確定了高層建筑不良地盤處理的最終設(shè)計方案。

3.2做好高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計

為了完善高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，就要堅持以科學(xué)的設(shè)計和計劃。高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算分析了高層建筑主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和局部系統(tǒng)的關(guān)系，提高了高層建筑的協(xié)調(diào)性和連續(xù)性，避免了高層建筑框架設(shè)計中的結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)和承載力不足。高層建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)部分設(shè)計時，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，通過合理的概念設(shè)計和科學(xué)的計算，形成系統(tǒng)、科學(xué)的主體和其他結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系，提高高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在高層建筑框架的附屬部分設(shè)計中，需要分析和利用剪力墻、框架結(jié)構(gòu)和梁柱結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，設(shè)計和計算高層建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和有負(fù)荷條件的平衡和穩(wěn)定。在優(yōu)化和強(qiáng)化高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)合不同的剪力墻和墻柱穩(wěn)定位置和使用，使得各梁柱上的高度保持一致，在此階段上，堅持以提高高層建筑的連續(xù)性和穩(wěn)定性來完善，使得高層建筑結(jié)構(gòu)的功能上穩(wěn)定化。

3.3做好高層建筑材料應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計

材料的應(yīng)用和設(shè)計是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。在材料的應(yīng)用設(shè)計中，根據(jù)由基礎(chǔ)工程、主體結(jié)構(gòu)和相關(guān)層所連接的重要部位，確定了鋼筋和混凝土的受力范圍，在確定部件和主題構(gòu)造上，堅持以參數(shù)和類型來實現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)的額設(shè)計和材料，考慮高層建筑結(jié)構(gòu)的特征，從結(jié)構(gòu)功能的角度來看材料應(yīng)用設(shè)計的合理性，不斷的走科學(xué)性和優(yōu)化方案，使得在此操作上完善設(shè)計方案。在材料的應(yīng)用和設(shè)計過程中，必須建立基礎(chǔ)技術(shù)和參數(shù)系統(tǒng)，堅持以高層建筑材料和配送的工作，以完善優(yōu)化和應(yīng)用結(jié)構(gòu)，使得在建筑材料商和施工上更加穩(wěn)定。

結(jié)語

隨著各地越來越重視高層建筑的建設(shè)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計也就成為了結(jié)構(gòu)工程師重要的工作。而高層結(jié)構(gòu)設(shè)計工作較之于多層結(jié)構(gòu)有著更復(fù)雜、更繁瑣的計算和分析過程，任何一個環(huán)節(jié)的遺漏或錯誤，都有可能導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)在安全穩(wěn)定性上的致命缺陷，給高層建筑施工帶來安全隱患，無法達(dá)到國家或行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的質(zhì)量安全。因此，為了完善高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計就要堅持以現(xiàn)代建筑設(shè)計與發(fā)展理論為主，對現(xiàn)代城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新具有指導(dǎo)作用。所以，設(shè)計過程中要仔細(xì)分析高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點(diǎn)，以便更科學(xué)的進(jìn)行設(shè)計。

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（作者單位：1河南省醫(yī)藥設(shè)計院有限公司；

2甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院）