談高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聶永超

摘要：目前，伴隨著高層建筑在我國的飛速發(fā)展需求，建筑高度的日益增加，建筑類型以及功能也日新月異，難度相對(duì)而言逐漸變大。結(jié)構(gòu)體系各式各樣，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)在主要成為結(jié)構(gòu)相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)和難點(diǎn)。下文主要針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行分析，總結(jié)了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以達(dá)到保證建筑的安全、延長其使用壽命的目的以及以后相關(guān)人員參考學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)埋深;底部嵌固層;高寬比;不規(guī)則性;偏心距;開洞;梁高度

1.基礎(chǔ)埋深問題

基礎(chǔ)應(yīng)該要有一定的埋深，埋置深度可以從室外地坪一直算到基礎(chǔ)底面，對(duì)于獨(dú)立的高層建筑而言，基礎(chǔ)埋深比較容易確定，但當(dāng)今多數(shù)高層建筑與地下車庫都是相互連接的，當(dāng)?shù)叵萝噹旎A(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)或設(shè)有防水底板的獨(dú)立基礎(chǔ)（防水底板不宜太?。r(shí)，高層建筑的基礎(chǔ)埋深可從室外地坪算起，此時(shí)高層建筑地下室頂板及地下車庫頂板應(yīng)按嵌固層要求設(shè)計(jì)，地下車庫應(yīng)有足夠的側(cè)向剛度作為高層建筑的側(cè)限。假如不滿足以上條件的時(shí)候，高層建筑的基礎(chǔ)埋深應(yīng)該要從地下車庫地面算起。高層建筑通常設(shè)地下室來滿足埋深要求，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1.1提高地基承載力。當(dāng)高層建筑采用天然地基時(shí)，地基承載力可進(jìn)行修正.隨著基礎(chǔ)埋深的增加，修正后的地基承載力隨之增大，從而可滿足高層建筑對(duì)地基承載力的要求。

1.2有利于高層建筑上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。高層建筑地下室外墻一般采用鋼筋鹼墻，地下室頂板厚不宜小于160mm，地下室具有較大的層間剛度，同時(shí)地下室外墻周邊土也提供了很大的側(cè)向剛度和約束。因此設(shè)地下室有利于上部結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，有利于協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)整體變形，調(diào)整地基不均與沉降。

2.地下室頂板作為結(jié)構(gòu)底部嵌固層的條件

當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛榻Y(jié)構(gòu)底部嵌固層的時(shí)候，應(yīng)該要能約束結(jié)構(gòu)底部的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，故必須要滿足下列條件：

2.1地下室頂板與室外高差不宜過大，宜小于1/3層高。

2.2地下室的樓層剪切剛度不小于相鄰上部結(jié)構(gòu)樓層剪切剛度的2倍。這里需指出的是，高規(guī)4.8.5條規(guī)定，抗震設(shè)計(jì)的高層建筑當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固層時(shí)，地下室柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計(jì)算要求外，不應(yīng)少于地上一層對(duì)應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍。

3.房屋高寬比

房屋高度指室外地面至主樓主要屋面的高度。房屋寬度按所考慮方向的最小投影寬度作為建筑物的計(jì)算寬度。

對(duì)帶裙房的高層建筑，當(dāng)裙房面積與其上塔樓面積比大于2.5或裙房抗側(cè)剛度與其上塔樓抗側(cè)剛度比大于2.0時(shí)，可取裙房以上部分的房屋高度和寬度計(jì)算高寬比。

4.建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性界定

建筑結(jié)構(gòu)不規(guī)則性除應(yīng)按高規(guī)4.3與4.4節(jié)的相關(guān)規(guī)定界定外，還需注意以下問題：

4.1計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大位移比時(shí)應(yīng)按剛性樓板假定。

4.2當(dāng)結(jié)構(gòu)的位移比和周期比超規(guī)范規(guī)定時(shí)，說明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度相對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度偏小，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較大。在結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較大，結(jié)構(gòu)的層間位移滿足要求的情況下，可減小結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，對(duì)樓層中部結(jié)構(gòu)做減法，可取消、減短、減薄剪力墻，減小連梁高度等。當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較小，側(cè)移較大時(shí)，可對(duì)樓層周邊結(jié)構(gòu)做加法，可增大周邊構(gòu)件的剛度。對(duì)帶裙房高層建筑，帶裙房部分樓層的位移比和周期比往往超規(guī)范規(guī)定。由于裙房高度不高，裙房樓層的絕對(duì)側(cè)移值很小，因此可不按高層建筑的側(cè)移控制條件來要求裙房，即位移比可適當(dāng)放寬。

4.3對(duì)某些建筑，因功能需要，下部幾層為大空間，上部為辦公或客房，隔墻較多，上下層剛度差別較大，此時(shí)剛度變化處的下一層宜指定為薄弱層，進(jìn)行內(nèi)力放大調(diào)整。

5.框架結(jié)構(gòu)梁柱偏心距較大應(yīng)采取的措施

框架結(jié)構(gòu)梁柱偏心較大時(shí)，將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪面積減小，且梁端彎矩作用在節(jié)點(diǎn)上時(shí)出現(xiàn)扭矩。因此當(dāng)梁柱偏心距大于柱截面在該方向?qū)挾鹊?/4時(shí)，應(yīng)采取措施。通?？杉哟罅簩捇蛟O(shè)置梁水平腋。當(dāng)設(shè)置梁水平腋時(shí)，在梁柱節(jié)點(diǎn)處形成了較強(qiáng)的剛域，梁塑性鉸將外移。因此梁端箍筋加密區(qū)長度應(yīng)與普通框架梁有所區(qū)別，水平加腋梁的梁端箍筋加密區(qū)長度應(yīng)取普通框架梁箍筋加密區(qū)長度與加腋水平長度之和。

6.較長剪力墻的開洞問題

高規(guī)7.1.5條規(guī)定：“較長的剪力墻宜開設(shè)洞口，將其分成長度較為均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁連接，每個(gè)獨(dú)立墻段的總高度與其截面高度之比不應(yīng)小于2，墻肢截面高度不宜大于8m?！贝藯l規(guī)定主要基于以下考慮：

6.1提高剪力墻的延性，避免脆性破壞。墻段高寬比大于2時(shí)一般為彎曲破壞，墻段高寬比小于2時(shí)一般為剪切破壞。

6.2避免單片剪力墻承擔(dān)過大的水平剪力而首先破壞，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件依次破壞。在某些工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往將較長的剪力墻開結(jié)構(gòu)洞，洞口較小，形不成弱連梁，此時(shí)的剪力墻為小開口剪力墻，仍具有很大的側(cè)向剛度，承擔(dān)的水平力很大，造成剪切脆性破壞。因此開結(jié)構(gòu)洞時(shí)一定要開大洞，形成弱連梁，連梁跨高比宜大于6使得較長剪力墻開洞后形成兩個(gè)較獨(dú)立的墻肢。

7.懸挑梁的梁高度選用問題

現(xiàn)在，基本上建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師會(huì)經(jīng)常忽略對(duì)梁撓度的計(jì)算。梁高選用比較小，造成梁截面的受壓區(qū)的應(yīng)力過高，在正常的使用狀態(tài)之下，梁截面的受壓區(qū)產(chǎn)生非線性徐變。伴隨著時(shí)間的推移，梁撓度漸漸加大。挑梁的變形導(dǎo)致了梁板裂縫，由于挑梁變形的不斷擴(kuò)大，裂縫的寬度也隨之加寬，這樣就直接影響了建筑物的正常使用情況。即挑梁變形進(jìn)一步發(fā)展，梁支座截面上部受拉區(qū)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)跨比較大的豎向裂縫。受支座附近的剪彎作用影響，豎向的裂縫不斷向下延伸成為斜裂縫，這個(gè)時(shí)候梁已經(jīng)接近毀壞。裂縫在梁支的座位置斜向延伸，縫越靠上寬度越大。挑梁截面過于窄小對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果影響很大。懸挑結(jié)構(gòu)對(duì)非水平地震的作用極為敏感。當(dāng)梁高相對(duì)而言較小時(shí)，梁截面對(duì)應(yīng)的受壓區(qū)高度也是比較大的，但梁的延性是比較小的，在豎向地震作用力之下容易產(chǎn)生斷裂，從而失去了原有的承載力。

結(jié)語

在今后的工作中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要重新認(rèn)識(shí)自己工作的重要性，明確自己的責(zé)任，提高對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量安全問題的辨別能力，積累結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作經(jīng)驗(yàn)，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作行業(yè)逐步步入正軌，使建筑物的設(shè)計(jì)更安全、更合理。