高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)淺析

王永旭

摘要：在高層建筑工程設(shè)計(jì)過程中，具體建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)主要依據(jù)是該建筑本身的層數(shù)、建筑高度、建筑功能設(shè)定、地震烈度、場(chǎng)地類別、區(qū)域內(nèi)建筑群體之間的關(guān)系，甲方具體設(shè)計(jì)要求、國家有關(guān)規(guī)定等規(guī)范。本文主要分析了高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)：具體如下：

關(guān)鍵詞：高層建筑;鋼筋混凝土;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);注意事項(xiàng)

一、主要原則

相當(dāng)傳統(tǒng)多層建筑，高層建筑體量大、投資大、涉及重大人民生命財(cái)產(chǎn)安全問題，不同的設(shè)計(jì)方案往往在投資及產(chǎn)出效益方面差距大，另外，高層建筑將對(duì)結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性提出更高的要求。因此，在前期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，就嚴(yán)格依據(jù)各種已知條件，合理選用設(shè)計(jì)方案。

（一）在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期，需要根據(jù)建筑功能及建筑高度、地震烈度等確定合適的結(jié)構(gòu)類型，如住宅結(jié)構(gòu)選用純剪力墻結(jié)構(gòu)往往取得優(yōu)投資方案，商業(yè)綜合體選用框架剪力墻往往取得優(yōu)投資方案等等。

（二）在前期結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段，地基處理方式的選擇亦是重點(diǎn)考察的項(xiàng)目之一，此時(shí)，應(yīng)該根據(jù)甲方提供的地勘報(bào)告，并根據(jù)建筑的本身層數(shù)、高度、建筑功能、荷載分布等等。結(jié)合工程所在地的地基處理工程經(jīng)驗(yàn)。按照概念優(yōu)先、設(shè)計(jì)輔助的原則確定合理的地基處理方案。

（三）基礎(chǔ)型式的確定及建筑平面的專業(yè)間溝通，此階段應(yīng)與各專業(yè)密切配合，做好多方案比較，以避免方案階段形成結(jié)構(gòu)上的多項(xiàng)不規(guī)則。

二、注意事項(xiàng)

（一）結(jié)構(gòu)選型及地基處理方案

相對(duì)傳統(tǒng)多層建筑而言，高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系的要求較高。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要是依據(jù)整體建筑無具體規(guī)模、功能等，選擇合適的結(jié)構(gòu)類型，并根據(jù)結(jié)構(gòu)類型與地震烈度、場(chǎng)地類別等，確定相應(yīng)建筑現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)件抗震等級(jí)。另外，結(jié)構(gòu)自重直接影響建筑物所受地震力的大小，這就要求設(shè)計(jì)人員合理的選擇填充墻材料，在滿足建筑要求的前提下應(yīng)盡量選用輕型材料，以減小地震力，降低建筑物造價(jià)。高層建筑自重大，對(duì)沉降反應(yīng)敏感，一般應(yīng)進(jìn)行地基處理。在結(jié)構(gòu)類型確定后，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型及場(chǎng)地土層條件，結(jié)合工程當(dāng)?shù)氐木唧w經(jīng)驗(yàn)，選擇合理的地基處理方式和基礎(chǔ)型式。

（二）概念設(shè)計(jì)

在具體的結(jié)構(gòu)計(jì)算之前，應(yīng)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，通過綜合考慮項(xiàng)目整體，綜合判斷該工程可能出現(xiàn)的薄弱部位，采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施，予以加強(qiáng);對(duì)于嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全的一些不規(guī)則，應(yīng)采取諸如分縫、取墻、加柱、改變局部結(jié)構(gòu)布置，甚至局部改變建筑方案等方法予以解決。

（三）合理地選擇混凝土類型

在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)正確地選擇混凝土的強(qiáng)度等級(jí)及外加劑，以取得投資與效益的優(yōu)組合。高強(qiáng)度混凝土以及一些特殊性能混凝土，具有強(qiáng)度大，耐久性好，彈性模量高等優(yōu)點(diǎn)，在一些大型高層建筑中，尤其是對(duì)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)，能有效的減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面尺寸，為建筑物贏得良好好的空間使用效果。加入適當(dāng)外加劑的混凝土能獲得如緩凝、抗?jié)B、抗凍、抗裂等特殊效果。其兩者的缺點(diǎn)在于，高強(qiáng)度混凝土凝結(jié)速度快，施工工藝復(fù)雜，施工成本高昂;外加劑的摻加須嚴(yán)格控制比例，需實(shí)驗(yàn)確定，這在一定程度上增加了施工費(fèi)用和施工周期。在前期結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)于一個(gè)具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目，首先應(yīng)分析項(xiàng)目的具體特點(diǎn)，選擇與項(xiàng)目本身相匹配的混凝土強(qiáng)度和外加劑類型。對(duì)于層數(shù)較高框架結(jié)構(gòu)及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，在滿足規(guī)范要求及本地區(qū)施工技術(shù)有保障的前提下，設(shè)計(jì)人員宜優(yōu)先選用高強(qiáng)度、高性能的混凝土，此時(shí)可取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。對(duì)于一般層數(shù)較低的單層、多層項(xiàng)目，以及較多層數(shù)的剪力墻結(jié)構(gòu)，在滿足規(guī)范低要求的前提下，宜選擇本地區(qū)較普通通用的混凝土類型，也可取得良好經(jīng)濟(jì)效果。

（四）結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算對(duì)整體工程設(shè)計(jì)質(zhì)量有重要的影響作用。因此，在設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)人員需要結(jié)合整體高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)在應(yīng)力，合理地計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)?，F(xiàn)階段，在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)核算環(huán)節(jié)，YJK、PKPM等幾種類型是常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件。在實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算環(huán)節(jié)，每種運(yùn)行軟件計(jì)算模式各有其獨(dú)特之處。因此，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中相關(guān)設(shè)計(jì)人員需依據(jù)結(jié)構(gòu)類型選擇合理的計(jì)算機(jī)計(jì)算軟件，并在此基礎(chǔ)上對(duì)不同運(yùn)算軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分析，再確定佳設(shè)計(jì)方案。計(jì)算完成后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果的正確性進(jìn)行判斷，在判斷計(jì)算結(jié)果可信的前提下，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的如周期比、剛度比、偏心率、位移及位移比等的限值調(diào)整計(jì)算模型，終獲得滿足規(guī)范前提下的合理的模型計(jì)算結(jié)果。此外，在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)變形縫設(shè)置過程中，宜根據(jù)建筑平面、立面的復(fù)雜性，用變形縫將結(jié)構(gòu)拆分為不同的規(guī)則單元。同時(shí)，在嵌固端設(shè)計(jì)過程中，由于該高層建筑具有一層地下室及人防設(shè)施，在地下室頂板、人防頂板位置需進(jìn)行嵌固端的合理設(shè)置。而在嵌固端設(shè)計(jì)過程中，相應(yīng)高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)嵌固端上下層剛度比予以重視，采用合理的結(jié)構(gòu)布置，使地震作用下，嵌固端真正出現(xiàn)在設(shè)計(jì)嵌固端部位，從而保證地下結(jié)構(gòu)頂部嵌固端實(shí)際效力得以穩(wěn)定發(fā)揮。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

（一）基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

裙樓和主樓的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)采用差異化設(shè)計(jì)模式，并結(jié)合工程的地勘資料。其中，裙樓部分采用獨(dú)立基礎(chǔ)，而主樓部分則采用筏板基礎(chǔ)，樁基承臺(tái)和基礎(chǔ)底板應(yīng)在參數(shù)計(jì)算和既有經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免隨意加大鋼筋和增大厚度的情況，導(dǎo)致建筑的自重增加，同時(shí)也增加建筑成本。例如，在地下室的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)部分，原初步設(shè)計(jì)時(shí)，地下室的基礎(chǔ)將全部采用筏板基礎(chǔ)的模式，但經(jīng)過審核計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，采用獨(dú)立基礎(chǔ)加抗浮錨桿和防水底板的做法可以起到減少混凝土和鋼筋使用量的目的，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)施工便捷，提升結(jié)構(gòu)安全性的目的，在保障施工質(zhì)量的同時(shí)降低施工成本。為保障地下室滿足防水要求，裂縫寬度應(yīng)控制在0.2mm以內(nèi)，在地下室的外墻和頂板部分設(shè)計(jì)上，必須保證荷載取值的精準(zhǔn)，將行業(yè)建筑標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際情況相結(jié)合，部分外墻和頂板的荷載值取值可以基于實(shí)際情況的變化而變化，但是不能低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。作為塔樓的嵌固端，地下室頂板應(yīng)進(jìn)一步加厚，當(dāng)?shù)叵率翼敯迳喜扛餐凛^厚時(shí)適于采用井字型梁，當(dāng)上部覆土較薄時(shí)適宜采用十字型梁，鑒于本工程的覆土厚度不大，因此，適于采用十字梁的模式。結(jié)合工程的地質(zhì)勘察報(bào)告，在建筑下部的持力層部分巖性為一層中密卵石層，因此，裙樓基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)加抗水底板，主樓采用筏板基礎(chǔ)，純地下室部分采用抗浮錨桿，以保障整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（二）框架-剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)

框架-剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)在建筑整體優(yōu)化設(shè)計(jì)原則下進(jìn)行，逐步對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，繼而達(dá)到結(jié)構(gòu)受力合理化，節(jié)約投資的目的。具體而言，需要注重對(duì)框架、剪力墻的協(xié)同作用進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)延性、剛度、承載力的最優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)。在優(yōu)化工作方面，應(yīng)根據(jù)抗震等級(jí)按規(guī)范采取抗震構(gòu)造措施、滿足規(guī)范彈塑性層間位移角限值，并滿足彈性層間位移角的限值實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)在延性和剛度上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（三）樓板優(yōu)化設(shè)計(jì)

樓板優(yōu)化設(shè)計(jì)也是高層建筑鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中最為重要的組成部分之一，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮樓板中預(yù)埋管道的要求，當(dāng)建筑的樓板設(shè)計(jì)厚度較小時(shí)，在施工時(shí)極易導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，因此，樓板設(shè)計(jì)應(yīng)采用彈性假定的方式設(shè)計(jì)，對(duì)樓板的配筋折減、厚度等因素進(jìn)行設(shè)定，而不是采用塑性假定的方式。就本工程而言，其最小配筋率適于設(shè)定在0.2～0.45，樓板厚度適于設(shè)定為100～130mm，盡可能避免采用大跨厚板。

四、結(jié)語：

綜上可知，設(shè)計(jì)過程中，其建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的功能特性是較為復(fù)雜。因此，應(yīng)該嚴(yán)格遵循高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，合理地控制建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度及相關(guān)構(gòu)件布設(shè)數(shù)量。從而在保證高層建筑抗震目標(biāo)達(dá)成的基礎(chǔ)上，大可能性地降低建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)因素，從而確保后期高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)工作得以順利開展。

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